DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA - …repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/8564/1/T-ESPE... · 2016-07-22 · Agradezco a Gaby, por compartir conmigo una linda

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA

Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

TESIS PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN

MECATRÓNICA

AUTORES:

MOYA CÁCERES, PATRICIA GABRIELA

VÁSQUEZ GABELA, STEPHANIE CAROLINA

TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL

CONTROLADO POR COMPUTADORA PARA LA REHABILITACIÓN DE

CODO Y MUÑECA

DIRECTOR: ING. ACOSTA, MILTON

CODIRECTOR: ING. PINEDA, FLAVIO

SANGOLQUÍ, MARZO 2014

i

CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO

El proyecto “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL

CONTROLADO POR COMPUTADORA PARA LA REHABILITACIÓN DE

CODO Y MUÑECA”, fue realizado en su totalidad por Patricia Gabriela Moya

Cáceres y Stephanie Carolina Vásquez Gabela, como requerimiento parcial

para la obtención del título de Ingeniera en Mecatrónica.

_______________________ _______________________

Ing. Milton Acosta Ing. Flavio Pineda. Msc.

DIRECTOR CODIRECTOR

Sangolquí, Marzo 2014

ii

AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD

Certificamos que el título de proyecto de grado: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL CONTROLADO POR COMPUTADORA

PARA LA REHABILITACIÓN DE CODO Y MUÑECA”, cuyo contenido, ideas y

criterios son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.

ELABORADO POR:

_________________________ ___________________________

Patricia Gabriela Moya Cáceres Stephanie Carolina Vásquez Gabela

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA.

_______________________

Ing. Francisco Terneus.

Director de la Carrera de Ingeniería Mecatrónica.


iii

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

AUTORIZACIÓN

Nosotros, Patricia Gabriela Moya Cáceres y Stephanie Carolina Vásquez

Gabela:

Autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, la publicación

en la biblioteca virtual de la institución, del proyecto de grado titulado: “DISEÑO

Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL CONTROLADO POR

COMPUTADORA PARA LA REHABILITACIÓN DE CODO Y MUÑECA”.

___________________________ _____________________________ Patricia Gabriela Moya Cáceres Stephanie Carolina Vásquez Gabela


iv

DEDICATORIA

A la mejor familia del mundo, mis padres, Fernando y Patricia, mis hermanos,

Fernando y Daniel y mi abuelita Fanny.

A mi compañero de vida Carlitos Alonso.

Gabriela Moya

v

DEDICATORIA

A mis papás, Martha y Diego y a mi hermano Carlos que los amo con todo mi

ser.

A mi abuelito Lucho, a mis abuelitas Teresita y Merceditas.

A quien en un futuro pueda serle útil este proyecto de grado.

Stephanie Vásquez

vi

AGRADECIMIENTO

A Dios, por haberme regalado cada día de vida, por enseñarme a valorar todas

las oportunidades que puso en mi camino y permitir ser una mejor persona

cada día.

A mis padres, por ser mi apoyo incondicional, por sus preocupaciones y

palabras de aliento, pero sobre todo por el amor que cada día me brindan. Los

amo. A mis hermanos Fernando y Daniel, cada uno ha sabido inspirarme a su

manera, gracias por cuidar de mí y quererme tanto.

A mis abuelitos, Fanny, Inés y Luis por el cariño y el ejemplo de vida que me

han dado. A mis tíos Yasmina, Ney y Pepe, mis primos Ma. Isabel y Luis que

más que primos son hermanos, muchas gracias.

A Carlos, por acompañarme en esta etapa de mi vida, por brindarme su amor,

comprensión y apoyo. Te amo.

A Stephanie por ser la mejor compañera de tesis, gracias por tu paciencia,

apoyo y sobre todo tu alegría y optimismo, muchas gracias amiga. A su familia

que siempre estuvo presta a ayudarnos.

vii

A mis amigos Jorge, Pablo, Gaby, Vane, Katy, Lenin, Andrés, Enrique y Ma.

Fernanda gracias por todos los momentos compartidos, por las palabras de

ánimo y su gran apoyo, son los mejores.

Gabriela Moya

viii

AGRADECIMIENTO

No me alcanzan las palabras ni el sentimiento para expresar lo mucho que

agradezco las personas que tengo en mi vida. A mis padres, quienes se

desviven por sus hijos y dejan todo por nosotros, al ñañito Caliman, y a toda mi

familia que me ha apoyado siempre porque sin ellos mi vida no tendría sentido

alguno.

Agradezco a Gaby, por compartir conmigo una linda experiencia en la que

además de llegarla a conocer mejor, fue un increíble apoyo, una gran persona y

amiga, a su familia quienes me supieron recibir amablemente en su casa.

A JuanG, a quien admiro por todos sus valores y sus conocimientos, además

de ser un gran amigo y maestro. Además, a quienes he conocido a través del

capoeira, y a este deporte porque al hacerlo parte de mi vida me he llenado de

alegría.

A mis amigos de la universidad que entre risas, preocupaciones y amanecidas

se formaron grandes lazos, a quienes y agradezco infinitamente por todo lo

compartido y los llevaré en mi corazón.

Quisiera tener más espacio para mencionar a quienes agradezco, sobre todo a

Johanna, Daniela, Denise, Cristian, Pau, Kiki, Ome, a los rock!, amigos

ix

cercanos de capoeira, colegio y universidad, porque han sido ellos que han

motivado el desarrollo de este proyecto siendo importantes en mi vida en todo

momento.

Stephanie Vásquez

x

ÍNDICE DE CONTENIDOS

CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO ......................... i

AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD .............................................................. ii

AUTORIZACIÓN ............................................................................................ iii

DEDICATORIA ............................................................................................. iv

AGRADECIMIENTO ..................................................................................... vi

ÍNDICE DE CONTENIDOS ............................................................................ x

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................... xxv

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................ xxxi

ÍNDICE DE ANEXOS ..............................................................................xxxviii

RESUMEN .............................................................................................. xxxix

ABSTRACT ................................................................................................... xl

1. CAPÍTULO 1 ............................................................................... 1

1.1 Antecedentes .............................................................................. 1

1.2 Justificación ................................................................................. 2

xi

1.3 Alcance del Proyecto ................................................................... 4

1.4 Objetivos ..................................................................................... 6

1.4.1 Objetivo General: ........................................................................ 6

1.4.2 Objetivos Específicos: ................................................................. 6

1.5 Metodología ................................................................................ 7

2. CAPÍTULO 2 ............................................................................... 9

2.1 Introducción de la Robótica en la Rehabilitación ......................... 9

2.2 Conceptos Básicos .................................................................... 11

2.2.1 Diseño de Máquinas .................................................................. 11

2.2.2 Prototipo .................................................................................... 12

2.2.3 Validación de Prototipos ............................................................ 13

2.2.4 Transferencia de Tecnología de Prototipo/ Máquina ................. 13

2.2.5 Fases de Rehabilitación: ........................................................... 14

2.2.5.1 Primera Fase de Rehabilitación: ............................................... 14

2.2.5.2 Segunda Fase de Rehabilitación:.............................................. 14

xii

2.2.5.3 Tercera Fase de Rehabilitación: ............................................... 14

2.2.6 Tipos de Movimientos en Rehabilitación: .................................. 15

2.2.6.1 Movimientos Pasivos ................................................................. 15

2.2.6.2 Movimientos Activos .................................................................. 15

2.2.6.3 Movimientos Activo – Asistidos ................................................. 15

2.2.6.4 Movimiento Resistido ................................................................ 15

2.3 Estado del Arte en Robots para rehabilitación en Terapia

Ocupacional .............................................................................. 16

2.3.1 Terapia Ocupacional ................................................................. 16

2.4 Biomecánica del Miembro Superior ........................................... 18

2.4.1 Introducción ............................................................................... 18

2.4.2 Planimetría ................................................................................ 19

2.4.2.1 Plano sagital medio ................................................................... 20

2.4.2.2 Plano frontal o coronal .............................................................. 21

2.4.2.3 Plano transversal u horizontal ................................................... 21

xiii

2.4.3 Rango de movimiento y Ángulos del Miembro Superior

Humano ..................................................................................... 21

2.4.3.1 Articulación del codo ................................................................. 21

2.4.3.1.1 Analogía Mecánica: ................................................................... 22

2.4.3.1.2 Movimientos de Flexión-Extensión: ........................................... 22

2.4.3.1.3 Movimientos de Pronación-supinación: ..................................... 23

2.4.3.2 Articulación de la muñeca ......................................................... 24

2.4.3.2.1 Analogía Mecánica: ................................................................... 25

2.4.3.2.2 Movimientos de Flexión-extensión: ........................................... 25

2.4.3.2.3 Movimientos de Aducción y Abducción ..................................... 26

2.4.4 Antropometría miembro superior ............................................... 27

2.4.4.1 Medidas Antebrazo, Mano y Muñeca ........................................ 28

3. CAPITULO 3 ............................................................................. 32

3.1 Consideraciones de Diseño ...................................................... 32

3.1.1 Requisitos y restricciones .......................................................... 32

3.1.1.1 Consideración antropomórfica .................................................. 32

xiv

3.1.1.2 Tipos de movimientos ............................................................... 33

3.1.1.3 Número de grados de libertad ................................................... 33

3.1.1.4 Trabajo pasivo o discreto .......................................................... 34

3.1.1.5 Dimensiones de la extremidad superior .................................... 34

3.1.1.6 Consideraciones Eléctricas y Electrónicas ................................ 36

3.1.1.7 Consideraciones de Control ...................................................... 38

3.2 Estructura general del sistema .................................................. 38

3.3 Selección del Tipo de Motor ...................................................... 39

3.3.1 Motor de Corriente Continua ..................................................... 41

3.3.1.1 Motor a pasos ........................................................................... 41

3.3.1.2 Servomotor ................................................................................ 42

3.3.2 Análisis y Selección ................................................................... 42

3.4 Diseño Mecánico ....................................................................... 44

3.4.1 Herramientas de desarrollo ....................................................... 44

3.4.1.1 SolidWorks ................................................................................ 44

xv

3.4.2 Diseño de mecanismos ............................................................. 44

3.4.3 Sistema de Soporte y Desplazamiento ..................................... 46

3.4.4 Sistema de acople para el Actuador .......................................... 51

3.4.4.1 Cálculo de Torque ..................................................................... 52

3.4.4.2 Selección de modelo de Servomotor ......................................... 53

3.4.4.3 Mecanismo de acople de motor ................................................ 55

3.4.5 Base para montaje del motor .................................................... 58

3.4.6 Adaptación para el mecanismo de la flexión y extensión del

codo .......................................................................................... 59

3.4.6.1 Selección del mecanismo .......................................................... 59

3.4.6.1.1 Selección del mango ................................................................. 63

3.4.7 Adaptación para el mecanismo de la pronación y supinación

del codo ..................................................................................... 64


3.4.8 Adaptación para el mecanismo de abducción y aducción de la

muñeca ..................................................................................... 66

xvi


3.4.9 Adaptación para el mecanismo de la flexión y extensión de la

muñeca ..................................................................................... 67


3.4.10 Diseño de cubierta del prototipo ................................................ 68

3.4.10.1 Cubierta frontal y posterior de base .......................................... 69

3.4.10.2 Cubierta posterior ...................................................................... 71

3.4.11 Selección del material ............................................................... 71

3.4.12 Análisis y Simulación ................................................................. 75

3.5 Diseño Electrónico .................................................................... 80

3.5.1 Herramientas de Desarrollo ...................................................... 80

3.5.1.1 ISIS ........................................................................................... 80

3.5.1.2 Ares ........................................................................................... 80

3.5.2 Diseño del Sistema Electrónico ................................................. 80

3.5.2.1 Tarjeta de Interfaz de Sensores ................................................ 82

3.5.2.1.1 Ángulo y sentido de giro ............................................................ 82

xvii

3.5.2.1.2 Finales de Carrera ..................................................................... 87

3.5.2.1.3 Alimentación .............................................................................. 88

3.5.2.2 Tarjeta de Control ...................................................................... 89

3.5.2.2.1 Distribución de pines para la aplicación .................................... 91

3.6 Programación ............................................................................ 93

3.6.1 Herramientas de desarrollo ....................................................... 93

3.6.1.1 Matlab ....................................................................................... 93

3.6.1.2 Arduino ...................................................................................... 93

3.6.2 Diseño del Software del Sistema Electrónico ............................ 93

3.6.2.1 Flujograma general del Software del Sistema Electrónico ........ 93

3.6.2.1.1 Pantalla de presentación ........................................................... 95

3.6.2.1.2 Ingreso de datos para la rehabilitación del paciente ................. 95

3.6.2.1.3 Proceso de acuerdo a rehabilitación seleccionada ................... 95

3.6.2.1.4 Salir ........................................................................................... 95

3.6.2.2 Requisitos del software del sistema electrónico ........................ 96

xviii

3.6.2.2.1 Establecimiento de comunicación con tarjeta Arduino .............. 96

3.6.2.2.1.1 Configuración de la Comunicación ............................................ 97

3.6.2.2.1.2 Librerías necesarias para la comunicación Matlab-Arduino ...... 97

3.6.2.2.1.3 Pasos para realizar la comunicación entre Matlab-Arduino ...... 98

3.6.2.2.2 Calibración del prototipo ............................................................ 98

3.6.2.2.3 Proceso de rehabilitación de acuerdo a lo ingresado por el

usuario. ..................................................................................... 98

3.6.2.2.3.1 Inicialización de variables .......................................................... 99

3.6.2.2.3.2 Establecer comunicación Matlab Arduino ............................... 100

3.6.2.2.3.3 Ubicación de servomotor en posición inicial ............................ 101

3.6.2.2.3.4 Envío y recepción de señales para proceso de rehabilitación . 102

3.6.2.2.3.5 Culminación de proceso .......................................................... 104

3.6.2.2.3.6 Envío y recepción de señales para culminación de proceso

de rehabilitación ...................................................................... 104

3.6.3 Diseño del software del prototipo ............................................ 104

xix

3.6.3.1 Diagrama de flujo de la programación del software del

prototipo .................................................................................. 105

3.6.3.2 General ................................................................................... 105

3.6.3.2.1 Selección de proceso .............................................................. 105

3.6.3.2.2 Ejecución ................................................................................. 106

3.6.3.3 Subprocesos ........................................................................... 106

3.6.3.3.1 Selección de proceso .............................................................. 114

3.6.3.4 Calibración del sistema ........................................................... 115

3.6.3.4.1 Configuración del puerto USB ................................................. 116

3.6.3.4.2 Comunicación USB entre Matlab- Arduino .............................. 117

3.6.3.4.3 Funcionamiento de sensores .................................................. 117

3.6.3.4.4 Funcionamiento del motor ....................................................... 117

3.6.3.4.5 Código para la calibración del motor ....................................... 118

3.6.3.5 Rehabilitación .......................................................................... 119

3.6.3.5.1 Zona de articulación a rehabilitar ............................................ 121

3.6.3.5.2 Brazo a rehabilitar ................................................................... 121

xx

3.6.3.5.3 Movimiento a realizar .............................................................. 121

3.6.3.5.4 Ingreso de ciclo de trabajo ...................................................... 122

3.6.3.5.4.1 Rango angular de trabajo ........................................................ 123

3.6.3.5.4.2 Número de repeticiones y series ............................................. 123

3.6.3.5.4.3 Velocidad de trabajo ................................................................ 124

3.6.3.5.5 Configuración del puerto USB ................................................. 124

3.6.3.5.6 Confirmación de ciclo ingresado ............................................. 124

3.6.3.5.7 Comunicación USB Matlab-Arduino ........................................ 124

3.6.3.5.8 Ejecución ................................................................................. 125

3.6.3.5.8.1 Inicialización de variables ........................................................ 126

3.6.3.5.8.2 Movimiento desde posición inicial a ángulo mínimo ................ 126

3.6.3.5.8.3 Movimiento desde ángulo mínimo a ángulo máximo ............... 128

3.6.3.5.8.4 Movimiento desde ángulo máximo a ángulo mínimo............... 128

3.6.3.5.8.5 Cumplimiento del número de repeticiones y series ................. 129

3.6.3.5.8.6 Término de proceso ................................................................ 134

xxi

3.6.4 Consideraciones de contadores durante la ejecución del

proceso ................................................................................... 136

3.6.5 Mensajes desplegados en la interfaz ...................................... 137

4. Capítulo 4 ................................................................................ 141

4.1 Diseño del Proceso de Construcción ...................................... 141

4.2 Ensamblaje del Prototipo ........................................................ 156

4.3 Implementación Sistema Eléctrico .......................................... 159

4.3.1 Elaboración del Circuito Impreso............................................. 159

4.3.1.1 Criterios de Diseño del PCB .................................................... 159

4.3.1.2 Cálculos de Ancho de Pista .................................................... 160

4.3.1.2.1 Cálculo del ancho de pistas en la alimentación de la placa .... 160

4.3.1.2.2 Cálculo del ancho de pistas de alimentación y señal: ............. 162

4.3.1.3 Circuito esquemático .............................................................. 164

4.3.1.3.1 Distribución de elementos en ARES ....................................... 164

4.3.1.3.2 Diseño de layout de PCB ........................................................ 165

4.3.1.3.3 Vista 3D ................................................................................... 166

xxii

4.3.1.4 Lista de Materiales .................................................................. 167

4.3.2 Ubicación sensores finales de carrera. ................................... 168

4.3.3 Conexión física de sensores a la tarjeta interfaz. .................... 169

4.3.3.1 Sección 1 ................................................................................ 170

4.3.3.2 Sección 2 ................................................................................ 171

4.3.3.3 Sección 3 ................................................................................ 173

4.3.3.4 Sección 4 ................................................................................ 174

4.3.3.5 Sección 5 ................................................................................ 175

4.4 Implementación Interfaz de Operación .................................... 176

4.4.1 Pantallas de comando ............................................................. 176

4.4.1.1 Pantalla 1: Ingreso de Usuario ................................................ 176

4.4.1.2 Pantalla 2: Ingreso de Datos ................................................... 178

4.4.1.3 Pantalla 3: Selección de Ciclo de Trabajo ............................... 178

4.4.4.1 Pantalla 1: Información General .............................................. 185

4.4.4.2 Pantalla 2: Tipo de Movimiento y Ángulos de Trabajo ............ 186

xxiii

4.5 Validación General de Prototipo de Rehabilitación para codo

y Muñeca ................................................................................. 187

4.5.1 Realización de Pruebas .......................................................... 188

4.5.2 Protocolo de Pruebas .............................................................. 188

4.5.3 Metodología de Pruebas ......................................................... 191

4.5.4 Ejecución de las Pruebas ........................................................ 194

4.5.4.1 Pruebas de calibración ............................................................ 194

4.5.4.2 Pruebas de ejecución .............................................................. 197

4.5.5 Análisis de Resultados ............................................................ 208

5. CAPÍTULO 5 ........................................................................... 217

5.1 Análisis Financiero .................................................................. 217

5.1.1 Presupuesto de inversión ........................................................ 218

5.1.1.1 Mano de obra y materiales ...................................................... 218

5.1.2 Presupuesto de Egresos ......................................................... 220

5.1.2.1 Costos Fijos ............................................................................ 220

5.1.2.2 Costos Variables ..................................................................... 221

xxiv

5.1.2.3 Gastos generales y administrativos ......................................... 222

5.1.2.3.1 Generales ................................................................................ 222

5.1.2.3.2 Administrativos ........................................................................ 222

5.1.2.4 Depreciación ........................................................................... 223

5.1.3 Presupuesto de Ingresos ........................................................ 224

5.1.3.1 Demanda Esperada ................................................................ 224

5.1.4 Proyección de Ingresos y Egresos .......................................... 225

5.1.5 Estado de Resultados ............................................................. 226

5.1.6 Flujo de Caja ........................................................................... 228

5.1.7 Evaluación Financiera ............................................................. 229

6. Capítulo 6 ................................................................................ 231

6.1 Conclusiones ........................................................................... 231

6.2 Recomendaciones ................................................................... 234

xxv

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Total de personas registradas en el CONADIS (2012) ..................... 3

Tabla 2 Alcance del proyecto ......................................................................... 5

Tabla 3 Dimensiones mano y muñeca masculino y femenino. .................... 29

Tabla 4 Dimensiones de la mano y la muñeca sujetando un mango. .......... 30

Tabla 5 Dimensiones del antebrazo masculino y femenino. ........................ 31

Tabla 6 Denominación de partes del antebrazo y muñeca. ......................... 31

Tabla 7 Grados de libertad y ángulos de movilidad. .................................... 34

Tabla 8 Dimensiones consideradas de mano y muñeca. ............................. 35

Tabla 9 Masas consideradas de mano, antebrazo y muñeca. ..................... 36

Tabla 10 Consideraciones eléctricas para el actuador................................. 37

Tabla 11 Variables de Control. ..................................................................... 38

Tabla 12 Motor DC vs motor AC. ................................................................. 40

Tabla 13 Valoración. .................................................................................... 43

Tabla 14 Selección del tipo de motor. .......................................................... 43

xxvi

Tabla 15 Servomotores presentes en el mercado. ...................................... 54

Tabla 16 Especificaciones técnicas servomotor Torxis i00600. ................... 54

Tabla 17 Propiedades del Acero y Aluminio ................................................ 72

Tabla 18 Valoración de características ........................................................ 73

Tabla 19 Tabla comparativa de propiedades del Acero y Aluminio para la

selección. ..................................................................................................... 73

Tabla 20 Características perfiles cuadrados DIPAC. ................................... 74

Tabla 21 Características plancha de acero galvanizado DIPAC .................. 75

Tabla 22 Análisis de resistencia de los Mecanismos Propuestos. ............... 76

Tabla 23 Distribución de Sensores .............................................................. 81

Tabla 24 Flipflop 74LS74 ............................................................................. 87

Tabla 25 Especificaciones Arduino Uno R3. ................................................ 90

Tabla 26 Asignación de pines tarjeta Arduino. ............................................. 92

Tabla 27 Configuración comunicación serial. ............................................... 97

Tabla 28 Posición inicial del motor ............................................................. 102

Tabla 29 Variables del programa ............................................................... 107

xxvii

Tabla 30 Funciones que intervienen en la programación ........................... 109

Tabla 31 Escalamiento de valor de señal y el ángulo correspondiente ..... 112

Tabla 32 Límites angulares de acuerdo al movimiento. ............................. 122

Tabla 33 Posición inicial del motor ............................................................. 127

Tabla 34 Valores de contadores en posiciones iniciales y finales. ............. 137

Tabla 35 . Mensajes desplegados en la interfaz ........................................ 138

Tabla 36 Leyenda del diagrama del proceso de construcción mano de

obra. ........................................................................................................... 155

Tabla 37 Leyenda del diagrama del proceso de construcción maquinaria. 156

Tabla 38 Referencia de planos. ................................................................. 157

Tabla 39 Lista de materiales ...................................................................... 167

Tabla 40 Detalle ubicación finales de carrera. ........................................... 169

Tabla 41 Conexión sección 2. .................................................................... 172

Tabla 42 Función de botones de pantalla 1. .............................................. 177

Tabla 43 Función de botones de pantalla 1. .............................................. 182

Tabla 44 Función de botones de mantenimiento. ...................................... 184

xxviii

Tabla 45 Pruebas planteadas. ................................................................... 189

Tabla 46 Valoración variables cualitativas. ................................................ 190

Tabla 47 Valoración variables cuantitativas. .............................................. 190

Tabla 48 Metodología pruebas de campo. ................................................. 191

Tabla 49 Datos obtenidos en la prueba de movilidad del motor. ............... 195

Tabla 50 Datos obtenidos en la prueba de sensores. ................................ 196

Tabla 51 Datos obtenidos en la prueba de calibración varias. ................... 197

Tabla 52 Datos obtenidos en la prueba de ejecución sin adaptación y

sin paciente. ............................................................................................... 198

Tabla 53 Datos obtenidos en la prueba de ejecución con adaptación y

sin paciente. ............................................................................................... 200

Tabla 54 Datos informativos del paciente. ................................................. 202


con paciente. .............................................................................................. 203


con paciente sano. ..................................................................................... 205

xxix

Tabla 57 Datos obtenidos prueba de ergonomía y adaptabilidad. ............. 207

Tabla 58 Valoración prueba de movilidad de motor. .................................. 208

Tabla 59 Errores prueba de movilidad de motor. ....................................... 209

Tabla 60 Valoración pruebas sensores. ..................................................... 210

Tabla 61 Valoración pruebas de calibración varias. ................................... 211

Tabla 62 Valoración pruebas sin adaptación y sin paciente. ..................... 212

Tabla 63 Valoración pruebas con adaptación y sin paciente ..................... 213

Tabla 64 Historial de movilidad paciente. ................................................... 214

Tabla 65 Valoración pruebas con paciente sano. ...................................... 216

Tabla 66 Presupuesto de inversión materiales. ......................................... 218

Tabla 67 Presupuesto de Inversión mano de obra. ................................... 219

Tabla 68 Costos fijos. ................................................................................. 220

Tabla 69 Costos variables. ......................................................................... 221

Tabla 70 Gastos generales. ....................................................................... 222

Tabla 71 Gastos administrativos. ............................................................... 223

xxx

Tabla 72 Depreciación. .............................................................................. 224

Tabla 73 Demanda esperada. .................................................................... 225

Tabla 74 Proyección de ingresos y egresos. ............................................. 226

Tabla 75 Estado de resultados. ................................................................. 227

Tabla 76 Flujo de caja. ............................................................................... 228

Tabla 77 Evaluación financiera. ................................................................. 229

xxxi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Rehabilitación de la extremidad superior. ........................................ 2

Figura 2 Metodología para elaboración del proyecto de tesis ........................ 8

Figura 3 Diagrama de la robótica en la Rehabilitación. ................................ 10

Figura 4 Planos y ejes del cuerpo. ............................................................... 20

Figura 5 Articulación del codo. ..................................................................... 22

Figura 6 Movimientos de flexión y extensión del codo. ................................ 23

Figura 7 Movimientos de supinación y pronación del codo. ......................... 24

Figura 8 Articulación de la muñeca. ............................................................. 25

Figura 9 Movimientos de flexión y extensión de la muñeca. ........................ 26

Figura 10 Movimientos de aducción y abducción de la muñeca. ................. 27

Figura 11 Dimensiones muñeca y mano promedio. ..................................... 28

Figura 12 Dimensiones de la mano y la muñeca sujetando el mango. ........ 29

Figura 13 Dimensiones del antebrazo. ......................................................... 30

Figura 14 Diagrama de Bloques General. .................................................... 39

xxxii

Figura 15 Diagrama de bloques de los mecanismos. .................................. 46

Figura 16 Canal principal. ............................................................................ 47

Figura 17 Canal secundario. ........................................................................ 48

Figura 18 Posición Inicial ............................................................................. 49

Figura 19 Medidas ergonómicas en posición sentada dadas en cm. ........... 50

Figura 20 Soportes móviles para el antebrazo y muñeca. ........................... 51

Figura 21 Servomotor Torxis i00600. ........................................................... 55

Figura 22 Servomotor Torxis i00600 con disco de 12.5 cm de diámetro. .... 56

Figura 23 Perfil metálico cuadrado de 1 pulgada. ........................................ 57

Figura 24 Sistema de acople de motor. ....................................................... 57

Figura 25 Soporte servomotor. .................................................................... 58

Figura 26 Base de motor ensamblado el motor y adaptación. ..................... 59

Figura 27 Acople del mango al mecanismo. ................................................ 60

Figura 28 Mango para la flexión y extensión del codo. ................................ 61

Figura 29 Dimensiones acople mango al mecanismo de flexión y

extensión del codo. ...................................................................................... 62

xxxiii

Figura 30 Mecanismo de flexión y extensión del codo. ................................ 62

Figura 31 Dimensiones Mango para mecanismos propuestos. ................... 64

Figura 32 Mecanismo en U para la pronación y supinación del codo. ......... 65

Figura 33 Adaptación del mecanismo para la abducción y aducción del

motor. ........................................................................................................... 67

Figura 34 Adaptación para flexión y extensión de la muñeca. ..................... 68

Figura 35 Cubierta frontal y posterior de base ............................................. 70

Figura 36 Vista frontal de la Cubierta frontal y posterior de base ................ 70

Figura 37 Cubierta posterior ........................................................................ 71

Figura 38 Perfil cuadrado. ............................................................................ 74

Figura 39 Diagrama del Sistema Electrónico ............................................... 81

Figura 40 Disco dentado. ............................................................................. 83

Figura 41 Señales obtenidas de los LDR. .................................................... 84

Figura 42 Características transistor NPN 2N3904 ....................................... 85

Figura 43 Circuito encoder incremental ....................................................... 86

Figura 44 Circuito de acondicionamiento de señal encoder óptico. ............. 86

xxxiv

Figura 45 Circuito de acondicionamiento final de carrera. ........................... 88

Figura 46 Circuito de alimentación de la placa ............................................ 89

Figura 47 Tarjeta Arduino Uno R3 ............................................................... 91

Figura 48 Diagrama de bloques general del software del sistema

electrónico. ................................................................................................... 94

Figura 49 Diagrama de bloques general de programación del sistema. ...... 99

Figura 50 Flujograma para el establecimiento de comunicación entre

Matlab y Arduino. ....................................................................................... 100

Figura 51 Flujograma para la ubicación de servomotor en posición inicial 101

Figura 52 Flujograma para el envío y recepción de señales para el

proceso de rehabilitación. .......................................................................... 103

Figura 53 Diagrama de flujo general .......................................................... 105

Figura 54 Diagrama de flujo de selección de proceso. .............................. 114

Figura 55 Diagrama de flujo de calibración del sistema. ............................ 116

Figura 56 Diagrama de flujo rehabilitación ................................................. 120

Figura 57 Ingreso de ciclo de trabajo ......................................................... 123

xxxv

Figura 58 Ejecución del proceso ................................................................ 125

Figura 59 Esquema del prototipo de rehabilitación para codo y muñeca. .. 141

Figura 60 Diagrama del Proceso de Construcción ..................................... 142

Figura 61 Corriente vs área transversal del conductor para 1A. ................ 160

Figura 62 Ancho del conducto vs sección transversal para 10 th. ............. 161

Figura 63 Ancho de pista de 20 th bornera J1. .......................................... 161

Figura 64 Corriente vs área transversal del conductor para 0.1A. ............. 162

Figura 65 Ancho del conducto vs sección transversal para 3 th. ............... 163

Figura 66 Esquemático PCB distribución de componentes. ...................... 165

Figura 67 Top copper PCB. ....................................................................... 165

Figura 68 Bottom copper PCB. .................................................................. 166

Figura 69 Vista 3D placa. ........................................................................... 166

Figura 70 Ubicación sensores finales de carrera ....................................... 168

Figura 71 Conexión tarjeta interfaz sensores. ............................................ 170

Figura 72 Diagrama de conexión foto barrera en U. .................................. 171

xxxvi

Figura 73 Sección 1 finales de carrera. ...................................................... 171

Figura 74 Sección 2 salidas tarjeta de control. .......................................... 172

Figura 75 Ubicación sensores de posición angular y giro. ......................... 173

Figura 76 Diagrama de conexión LDR. ...................................................... 174

Figura 77 Sección 3 entradas sensores de giro y posición angular. .......... 174

Figura 78 Bornera de conexión paro de emergencia. ................................ 175

Figura 79 Bornera de conexión de la fuente de alimentación. ................... 175

Figura 80 Pantalla inicial interfaz gráfica. ................................................... 177

Figura 81 Pantalla de ingreso de datos. ..................................................... 178

Figura 82 Pantalla de selección de ciclo de trabajo. .................................. 179

Figura 83 Pantalla de confirmación de ciclo de trabajo. ............................. 180

Figura 84 Pantalla de proceso. .................................................................. 181

Figura 85 Ingreso de Usuario de Mantenimiento. ...................................... 183

Figura 86 Pantalla de mantenimiento......................................................... 184

Figura 87 Pantalla de ayuda: información general. .................................... 185

xxxvii

Figura 88 Pantalla de ayuda: tipo de movimiento y ángulo de trabajo. ..... 186

Figura 89 Pantalla de ayuda: ubicación de la adaptación. ......................... 187

Figura 90 Tendencia error vs desfase angular. .......................................... 209

Figura 91 Tendencia sesión de rehabilitación vs ángulo de movilidad

rehabilitación muñeca. ............................................................................... 215

Figura 92 Tendencia sesión de rehabilitación vs ángulo de movilidad

rehabilitación codo. .................................................................................... 215

xxxviii

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo A: Planos Mecánicos

Anexo B: Hojas de Procesos

Anexo C: Diagrama de Conexión

Anexo D: Datasheets

Anexo E: Código de Matlab

Anexo F: Manual de Usuario

Anexo G: Pruebas de Campo

xxxix

RESUMEN

El presente proyecto describe el desarrollo de un prototipo de rehabilitación

para el codo y la muñeca, destinado a usarse en la primera y segunda etapa de

rehabilitación, donde el paciente debe realizar ejercicios pasivamente para

lograr recuperar progresivamente la movilidad completa de sus articulaciones.

Se han tomado en consideración la biomecánica y antropometría del brazo para

así llevar a cabo los movimientos de flexión- extensión, pronación-supinación

del codo, flexión-extensión, abducción-aducción de la muñeca mediante un

diseño adaptable a cada paciente, siendo útil para la rehabilitación del brazo

izquierdo o derecho del paciente. Además el proyecto consta de una interfaz

gráfica amigable al usuario, para el control del proceso de rehabilitación,

haciendo su utilización de fácil entendimiento lo que permite utilizar

rápidamente el prototipo y adaptarlo al proceso de rehabilitación requerido por

el paciente.

Palabras Claves:

Rehabilitación

Extremidad Superior

Servomotor

Arduino

xl

ABSTRACT

This project describes the development of a rehabilitation prototype for elbow

and wrist. It is meant to be used during the first and second phases of

rehabilitation when the patient should exercise passively in order to recover the

complete mobility of his joints progressively. The biomechanics and

anthropometrics are taken into account in order to generate the movements of

flexion - extension, pronation – supination in the elbow, flexion – extension, and

abduction – adduction in the wrist following an adaptable design for every

patient. In addition, this prototype allows the rehabilitation for either the left or

the right arm. The project consists of a graphic user’s interface to control the

rehabilitation process. It is easy to understand. For this reason, the user is able

to learn to control the prototype in a short time and setup the process required

for a patient.

Keywords:

Rehabilitation

Upper Limb

Servomotor

Arduino

1

1. CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

En la actualidad encontramos en hospitales y clínicas, muchos tipos de

máquinas de rehabilitación con tecnología de última generación, están

enfocados a rehabilitar órganos, músculos y tejidos con distintas causas de

lesiones o dificultades de movimiento por previos accidentes o enfermedades,

es decir, recobrar de manera significativa el movimiento óptimo y funcionalidad

de las partes del cuerpo humano que se han visto afectadas.

Las máquinas de rehabilitación están orientadas a personas con problemas

neurológicos, personas con proceso de recuperación post-operación, fracturas

y demás enfermedades relacionadas con la movilidad de sus extremidades,

enfermedades que necesitan de una asistencia médica en el área de Terapia

Ocupacional; considerando la dificultad por parte de los pacientes a realizar

ejercicios por su propia voluntad por presencia de dolor, se observa que estos

pacientes tienen reacciones positivas a ejercicios y a movimientos pasivos de

sus miembros dañados.

2

Estás han sido diseñadas para que las personas que las utilicen, no corran

ningún tipo de riesgo al realizar los ejercicios en los equipos; además de

permitir una mayor precisión, y control en la ejecución de los ejercicios. Estas

máquinas tienen por objetivo mejorar y ayudar a las personas a lograr los

movimientos por sí solas mediante la repetición de diversos ejercicios;

facilitando de esta manera que retomen sus actividades cotidianas y hagan uso

del correcto funcionamiento de cada parte de su cuerpo.

Figura 1 Rehabilitación de la extremidad superior.

Fuente: (HOCOMA, 2010)

1.2 Justificación

La robótica ha revolucionado en el campo de la medicina en varias

aplicaciones y pese a que muchas de estas se encuentren en investigación

3

hasta el momento, otras se encuentran ya en funcionamiento alrededor del

mundo con resultados eficaces y satisfactorios. Específicamente hablando de la

robótica terapéutica la cual se utiliza en ámbito ambulatorio o domiciliario es la

que provee una rehabilitación acelerada a pacientes que han sufrido

enfermedades o accidentes que les han mermado sus funciones motoras

impidiendo su completa independencia.

En la actualidad las personas con discapacidad se encuentran en un

proceso de inclusión cada vez mayor por lo que resulta de gran importancia que

puedan ser aptos para diversos trabajos. Considerando que en el Ecuador las

estadísticas dispuestas por el CONADIS indican que las personas con

discapacidad registradas alcanzan los 347374 habitantes, de los cuales existen

168381 personas con discapacidad física; por este factor y el conocimiento de

que la robótica terapéutica puede ayudar significativamente a la mejora de los

movimientos y actividades cotidianas de estas personas, nos hemos visto

impulsadas a ejecutar este proyecto.

Tabla 1 Total de personas registradas en el CONADIS (2012)

TIPO DE DISCAPACIDAD

AUDITIVA FISICA INTELECTUAL LENGUAJE PSICOLOGICO VISUAL TOTAL

TOTAL 41748 168381 78334 4909 13797 40205 347374

Fuente: (CONSEJO NACIONAL DE IGUALDAD DE DISCAPACIDADES, 2013).

4

Tomando en cuenta los factores previamente nombrados queremos lograr

que el presente proyecto ayude y acelere el proceso de mejora del paciente

mediante ejercicios repetitivos y progresivos, pudiendo controlar el tipo de

ejercicio a realizar, el área a ejercitar. Es importante mencionar que el proyecto

no pretende eliminar la presencia del fisioterapeuta en las sesiones de

rehabilitación, sino de permitir una mejora en la movilidad de los pacientes que

se encuentran en rehabilitación. Un aspecto que hemos tomado en cuenta al

proponer el proyecto la dificultad de encontrar este tipo de máquinas de

rehabilitación en el país actualmente debido a su alto costo de importación.

1.3 Alcance del Proyecto

Diseñar, construir e implementar un prototipo automatizado para la

rehabilitación de la extremidad superior de una persona adulta, específicamente

codo y muñeca. Este equipo cumplirá con las características y parámetros

detallados en la Tabla 2.

La rehabilitación está orientada a la recuperación parcial alcanzando la

totalidad de movimiento de las articulaciones pertinentes durante la primera y

segunda fase de rehabilitación considerando el estado inicial del paciente. No

se logrará la tercera fase donde la persona emplea fuerza voluntariamente para

realizar ejercicios.

5

Tabla 2 Alcance del proyecto

Características Detalle

Partes del Brazo a Rehabilitar Codo

Muñeca

Grados de Libertad 4

Movimientos a realizar

Pronación y Supinación Codo

Abducción y Aducción Muñeca

Flexión y Extensión Muñeca

Flexión y Extensión Codo

Ángulos de Movimiento

Pronación 90° - Codo

Supinación 90° - Codo

Flexión 130° - Codo

Extensión 0° - Codo

Flexión 70° - Muñeca

Extensión 70° - Muñeca

Abducción 15° - Muñeca

Aducción 30° - Muñeca

Tipo de ejercicio Pasivos

Repetitivos

Tipo de motores Servomotores

Cantidad de Motores 1

Variables a Sensar Angulo de giro

Sentido de giro

Tipo de Comunicación USB

Interfaz de Usuario Computador

Dimensiones estimadas

Largo: 80 cm – 1 m

Ancho: 80cm – 1 m

Altura: 90cm- 1 m

Fuente: Elaborado por autoras de la investigación.

6

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General:

Diseñar e implementar un prototipo funcional controlado por computadora

para la rehabilitación de codo y muñeca, el cual desarrollará una mayor

habilidad en los movimientos de flexión, extensión, aducción, abducción,

pronación y supinación del paciente para su desenvolvimiento en actividades

cotidianas.

1.4.2 Objetivos Específicos:

Profundizar el estudio de la parte de la biomecánica de la extremidad

superior donde intervienen los ángulos y movimientos propios de esta,

con el fin de lograr adaptar y combinar las características del prototipo

con las capacidades del paciente.

Diseñar mecanismos para movimientos repetitivos de flexión, extensión,

pronación, supinación, aducción y abducción para el tratamiento de

rehabilitación de codo y muñeca.

Implementar un prototipo para el tratamiento de rehabilitación de codo y

muñeca utilizando dispositivos, materiales y equipos disponibles en el

mercado al menor costo.

7

Desarrollar un prototipo de rehabilitación que cumpla con los ángulos y

movimientos correspondientes a la biomecánica de la extremidad

superior en un plazo de 10 meses.

1.5 Metodología

El proyecto de tesis se desarrollará utilizando la metodología expuesta en la

Figura 2 siguiendo sus respectivas etapas de análisis, diseño, implementación y

evaluación.

Análisis del Problema: Planteamiento del problema y análisis de todos

los requerimientos del prototipo, tales como: tamaño, amplitud de

movimientos, ángulos de giro, etc.

Selección de la Solución: Investigar los mecanismos, circuitos eléctricos

y sistemas de control que se adapten a nuestro prototipo, buscar la

mayor cantidad de soluciones posibles, para poder escoger la más eficaz

y factible para el proyecto.

Ejecución del Diseño: Calcular, diseñar y realizar simulaciones del

prototipo tanto en la parte mecánica, como en la eléctrica.

Construcción: Implementar el diseño realizado en la etapa anterior,

basado en planos y programas de simulación.

Implementación: Acoplar los sistemas mecánico, eléctrico y de control

del prototipo.

8

Pruebas: Comprobar el correcto funcionamiento del prototipo y ajustar y

corregir cualquier defecto de la implementación.

Resultados: Documentar el diseño y la implementación del prototipo.

Figura 2 Metodología para elaboración del proyecto de tesis

Fuente: Elaborado por autoras de la investigación

9

2. CAPÍTULO 2

FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Introducción de la Robótica en la Rehabilitación

La aplicación integrada de un amplio espectro de tecnologías, para el control

de estímulos sensoriales, del movimiento y las fuerzas, tales como la robótica

avanzada, la Mecatrónica, la realidad virtual y los interfaces hombre-máquina,

junto con los recientes hallazgos en biomecánica, en neurología, y en medicina

de rehabilitación con el objetivo de definir nuevos métodos y herramientas para

hacer frente a las crecientes necesidades de rehabilitación de las personas con

discapacidad se denomina Rehabilitación Robótica (Rehabilitación Robótica,

2013).

Enfocándonos en la rehabilitación, se debe mencionar que ésta consiste en

un conjunto o serie de procedimientos con el fin de ayudar al paciente a

alcanzar su potencial físico de acuerdo con su deficiencia fisiológica o

anatómica. La robótica de rehabilitación considera en el diseño de sus equipos

la deficiencia del paciente para lograr su mejoramiento muscular.

10

Figura 3 Diagrama de la robótica en la Rehabilitación.


Los robots terapéuticos asisten o dan apoyo al especialista, en este caso,

el fisioterapeuta, quien asigna el ejercicio a realizarse. Los pacientes responden

positivamente a este tipo de tratamiento, a menudo no son posibles estos

niveles de atención, pero incluso si los pacientes tienen fácil acceso a

fisioterapeutas bien formados, los tratamientos se podrían mejorar con la ayuda

de robots (Toth Andras, 2006). El proceso de terapia a través de robots se

cumple a partir de tres fases:

• Primera: El fisioterapeuta programa el equipo robótico seleccionando los

ejercicios a realizar dependiendo de las necesidades del paciente.

11

• Segunda: Se analiza el avance o el estado actual del paciente y se

reestructura el programa terapéutico.

• Tercero: Por último, se ejecuta el programa, mediante el robot o sistema

terapéutico, permitiendo al fisioterapeuta tener el control del procedimiento

en todo momento.

Existen algunos ensayos clínicos de los sistemas terapéuticos robóticos

donde indican que la fisioterapia robótica es segura y fiable, que los pacientes

no tienen miedo a los robots y que para los fisiatras es simple el aprendizaje de

manejo del sistema. Los ejercicios robóticos son tan eficientes y relajantes

como la tradicional fisioterapia hecha por el especialista en persona, sin

embargo, los tratamientos robóticos han mostrado una mejora más significativa

en los pacientes.

2.2 Conceptos Básicos

2.2.1 Diseño de Máquinas

El diseño de máquinas se encarga de la creación de maquinaría que

funcione de forma segura y confiable, además define y calcula movimientos,

fuerzas y cambios de energía con la finalidad de determinar el tamaño, la forma

y el material de cada elemento. Las máquinas están formadas de elementos

que tienen una interrelación específica para lograr los distintos movimientos y

12

fuerzas necesarios. Para el diseño, se consideran fuerzas estáticas, análisis de

cargas dinámicas asociadas al movimiento, masa y geometría de cada uno de

sus componentes.

2.2.2 Prototipo

Un prototipo es el primer modelo que sirve como modelo experimental de un

producto, el cual está dispuesto a pruebas con situaciones reales necesarias

para su posterior mejora en el desarrollo del producto. El objetivo del prototipo

es llegar a cumplir con los requerimientos propuestos en el producto, ya que

este debe funcionar y evolucionar a través de las correcciones realizadas en las

pruebas, generando calidad y eficiencia en el producto final.

2.2.2.1 Tipos de Prototipos

Prototipo no funcional: Sirve únicamente para probar algunos aspectos

de diseño.

Primer prototipo de una serie: Es el modelo de muestra y de prueba, en

el que se realiza la experimentación para comprobar su funcionalidad y

cumplimiento de requisitos propuestos.

Prototipo de características seleccionadas: Modelo que tiene ciertas

características parecidas a las que conservará el sistema final.

13

2.2.3 Validación de Prototipos

Para la validación del prototipo se considera el usuario quien prueba el

prototipo y se informa las correcciones que deban efectuarse. Para dicha

validación, las correcciones pueden ser de tres tipos:

Errores de programación: La programación del sistema deberá ser

corregida para mejorar la funcionalidad del sistema.

Errores de diseño: En ocasiones, al momento de realizar las pruebas

pueden aparecer problemas debido a la implementación del prototipo, en

este caso, pueden haber las opciones de comenzar nuevamente el

diseño para corregir errores o realizar el análisis, la corrección y una

validación del diseño que se incluya en una nueva fase del prototipo, es

decir, Prototipo No.2.

Funcionalidad faltante: Se debe indicar que funciones deben agregarse

en el Prototipo No.2 y las razones de no estar presentes en el Prototipo

No.1.

2.2.4 Transferencia de Tecnología de Prototipo/ Máquina

Proceso a través del cual se transfiere una investigación o desarrollo

tecnológico a una entidad del sector productivo, con la finalidad de que esta

14

adquiera ventajas competitivas y llegue al mercado como un producto, proceso

o servicio novedoso, impulsando el desarrollo y crecimiento de los diversos

sectores de la sociedad mediante el acceso al conocimiento y experiencia de

los grupos de investigación.

2.2.5 Fases de Rehabilitación:

2.2.5.1 Primera Fase de Rehabilitación:

El paciente tiene su brazo o articulaciones inflamadas, con una pérdida de

movilidad. Como parte de la primera fase de rehabilitación se incluyen

compresas calientes, ultrasonido, parafina y unos primeros movimientos.

2.2.5.2 Segunda Fase de Rehabilitación:

Dentro de la segunda fase la extremidad superior del paciente está

desinflamada y existe una mayor movilidad. El objetivo de esta fase es llegar a

la movilidad completa de las articulaciones.

2.2.5.3 Tercera Fase de Rehabilitación:

En esta etapa de rehabilitación el paciente tiene una movilidad completa y se

inicia con ejercicios que implican fuerza voluntaria por parte del paciente de

manera que al culminar la presente fase se consiga que las actividades

posteriores a la rehabilitación sean normales y cotidianas sin problemas ni dolor

para el paciente.

15

2.2.6 Tipos de Movimientos en Rehabilitación:

2.2.6.1 Movimientos Pasivos

Movimiento que se ejecuta mediante la acción de una fuerza externa, sin

que la persona intervenga activamente oponiendo resistencia. Son utilizados

cuando las condiciones psicofísicas del paciente se encuentran afectadas, en

ciertas condiciones patológicas o de grave deterioro, este método puede

representar la única posibilidad de movilización de la parte afectada del

paciente.

2.2.6.2 Movimientos Activos

Son los ejecutados mediante la voluntad del paciente, tienen por objetivo

mantener la funcionalidad motora o restablecer funciones de movimiento

deterioradas por alguna enfermedad.

2.2.6.3 Movimientos Activo – Asistidos

Los hace el paciente con asistencia del kinesiólogo.

2.2.6.4 Movimiento Resistido

Lo ejecuta el paciente pero contra una resistencia que le ofrece una fuerza

externa.

16

2.3 Estado del Arte en Robots para rehabilitación en

Terapia Ocupacional

2.3.1 Terapia Ocupacional

La investigación tecnológica y sus aplicaciones clínicas relacionadas con el

uso de dispositivos robóticos para mejorar la marcha es un campo más

desarrollado, en terapia ocupacional, las aplicaciones de la terapia asistida por

robots se centran más en el tratamiento del miembro superior (Polonio &

Romero, 2010).

La robótica debe utilizarse conjuntamente con otras técnicas ocupacionales

y no de manera alternativa y única pues es necesaria la preparación del

paciente a los movimientos que va a efectuar, el entrenamiento conjunto con el

robot y la posterior actividad de los pacientes en su vida cotidiana. Por esta

razón, la terapia ocupacional tradicional debe ir profundamente ligada con la

robótica. Pese a que el periodo de recuperación no se disminuye con la

presencia de robots terapéuticos de rehabilitación, su importancia radica en la

motivación de los pacientes para realizar el tratamiento.

Actualmente se ha demostrado que la combinación de la rehabilitación

estándar y la terapia robótica ayuda significativamente en la rehabilitación de un

paciente que ha sufrido un derrame. Específicamente hablando del dispositivo

robótico ReoGo, el cual ayuda a este tipo de pacientes utilizando movimientos

17

repetitivos de los hombros, brazos y codos logrando aumentar las funciones del

hombro y del brazo afectado (NEUROAID, 2012).

También encontramos el robot Ursus, este presenta una forma de peluche

que ayuda a niños discapacitados o con problemas de movilidad en sus

miembros superiores. Este robot ayuda a los niños en el proceso de

rehabilitación enseñándoles a realizar movimientos con sus codos, hombros, y

muñecas mediante la imitación. Con la ayuda del fisioterapeuta a cargo, el niño

interactúa también con un videojuego para su rehabilitación

(MEDULARDIGITAL, 2011).

Un robot terapéutico que también incluye un juego virtual es RoboTerapist

3D en el cual el paciente debe cumplir a través de este juego con actividades

cotidianas como comer, beber, peinarse, coger un vaso; motivando al paciente

a realizar el ejercicio. Cada sesión de rehabilitación con este robot es de

aproximadamente 45 minutos siendo supervisado por el fisioterapeuta. Este

robot ha demostrado que los pacientes que lo han utilizado han presentado una

mejora considerable de su extremidad superior durante la rehabilitación

(Fernandez, 2010).

18

2.4 Biomecánica del Miembro Superior

2.4.1 Introducción

La biomecánica es una disciplina científica que estudia las estructuras de

carácter mecánico; tales como, modelos, fenómenos y leyes que sean

relevantes en el movimiento (incluyendo el estático) de los seres vivos,

fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en

diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la

ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el

comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las

diversas condiciones a las que puede verse sometido (Biomecánica, 2013).

La biomecánica ha tenido un gran desarrollo en relación con aplicaciones de

la ingeniería, informática y de modelos matemáticos, para el conocimiento de

los sistemas biológicos y de partes del cuerpo humano, facilitando su aplicación

práctica y su utilización como nuevos métodos de valoración y diagnóstico.

Los campos de aplicación de la Biomecánica son diversos:

Biomecánica Clínica: Su finalidad es la de evaluar funcionalmente las

patologías presentes en el paciente con el objetivo de repararlas

independientemente del campo terapéutico con el que se lo debe tratar.

19

Biomecánica Deportiva: El objetivo de la biomecánica deportiva es

analizar la mecánica de los deportes para mejorar, y en muchos casos,

optimizar el rendimiento y desempeño de los atletas, evitando

posteriores lesiones.

Biomecánica Ocupacional: Se enfoca en la relación que tiene el cuerpo

humano con las actividades y movimientos laborales y de su propia

naturaleza; tiene estricta relación con la ingeniería ergonómica.

2.4.2 Planimetría

Para entender la planimetría del cuerpo humano se debe tener conocimiento

sobre la posición neutra o posición cero, es una posición humana de referencia

que se adopta como punto de inicio para realizar la medición goniométrica1.

La planimetría es la descripción de los planos imaginarios que sirven de

referencia para dividir el cuerpo humano en diferentes zonas y facilitar su

estudio.

En el cuerpo humano, se reconocen tres planos perpendiculares entre sí:

plano sagital, plano frontal o coronal y plano transversal o axial. Cada uno de

estos planos son cruzados perpendicularmente por un eje, sobre los cuales se

1 Goniometría: En Rehabilitación, se utiliza para determinar el punto de inicio de un tratamiento, evaluar su progresión, establecer un pronóstico, modificar el tratamiento o darle un punto final. Además determina los ángulos de desplazamiento y rotación del cuerpo humano.

20

producen los movimientos articulares: eje medio lateral, eje anteroposterior y

eje vertical respectivamente.

Figura 4 Planos y ejes del cuerpo.

Fuente: (Taboadela, 2007)

2.4.2.1 Plano sagital medio

Este plano divide al cuerpo en dos mitades: una derecha, y la otra, izquierda,

todos los planos paralelos a este se denominan planos sagitales o para-

sagitales. A su vez los planos sagitales son cruzados perpendicularmente por

el eje medio lateral, sobre el que se producen los movimientos de flexión y

extensión, visibles en la persona colocada de perfil.

21

2.4.2.2 Plano frontal o coronal

Este plano es perpendicular a cualquiera de los planos sagital, el mismo que

dividen al cuerpo en dos partes, una anterior y otra posterior. Lo cruza

perpendicularmente el eje anteroposterior sobre el cual se producen los

movimientos de abducción y aducción, visibles en la persona colocada de

frente.

2.4.2.3 Plano transversal u horizontal

Este plano es perpendicular a cualquiera de los planos perpendiculares a los

planos medio y coronal que dividen al cuerpo en dos partes: una craneal o

superior y otra caudal o inferior. Lo cruza perpendicularmente el eje vertical,

sobre el cual se producen los movimientos de rotación que son vistos desde

arriba o desde abajo.

2.4.3 Rango de movimiento y Ángulos del Miembro Superior

Humano

2.4.3.1 Articulación del codo

Es la articulación intermedia del miembro superior, al realizar la unión del

brazo y antebrazo, permite desplazar la extremidad activa: la mano. Presenta

movimientos de flexión-extensión y pronación-supinación.

22

Figura 5 Articulación del codo.

Fuente: (Taboadela, 2007).

2.4.3.1.1 Analogía Mecánica:

El codo es una articulación tipo bisagra - pivot. El tipo bisagra permite

realizar los movimientos de flexión y extensión, a su vez el tipo pivot los

movimientos de pronación y supinación.

2.4.3.1.2 Movimientos de Flexión-Extensión:

Movimiento: Se procede a efectuar la flexión y la extensión del codo. Se

debe tener en cuenta que en sujetos normales la extensión activa del

codo es 0°. En algunas personas laxas, la extensión pasiva puede llegar

hasta10°

23

Registro: Se registra el ángulo formado entre la posición 0 y la posición

final de flexión y extensión.

Valores normales: Flexión 0-150° y extensión: 0° (personas laxas 0-10°).

Figura 6 Movimientos de flexión y extensión del codo.


2.4.3.1.3 Movimientos de Pronación-supinación:

La pronosupinación es el movimiento de rotación del antebrazo en torno al

eje longitudinal. Este movimiento se da mediante la intervención de dos

articulaciones mecánicamente unidas. Participan las articulaciones radio cubital

inferior y superior. Esta rotación le da al complejo de la muñeca un tercer grado

de libertad

24

Posición: Paciente sentado, hombro en posición 0; codo flexionado en

90° para evitar la rotación del hombro; el antebrazo y muñeca en

posición 0.


final de pronación y supinación.

Valores normales: Supinación: 0-90° y pronación: 0-90°.

Figura 7 Movimientos de supinación y pronación del codo.


2.4.3.2 Articulación de la muñeca

Presenta movimientos de flexión-extensión y desviación radial-cubital.

25

Figura 8 Articulación de la muñeca.


2.4.3.2.1 Analogía Mecánica:

La muñeca tiene una articulación elipsoidal, la misma que representa una

articulación biaxial ya que posee dos ejes de movimiento, lo que permite

realizar los movimientos de aducción, abducción, flexión y extensión.

2.4.3.2.2 Movimientos de Flexión-extensión:

Posición: Paciente sentado, antebrazo en pronación apoyado sobre una

mesa.


final de flexión y extensión.

Valores normales: Flexión: 0-70°. Extensión: 0-70°.

26

Figura 9 Movimientos de flexión y extensión de la muñeca.


2.4.3.2.3 Movimientos de Aducción y Abducción

Posición: Paciente sentado, antebrazo en pronación apoyado sobre una

mesa.


final de desviación radial y cubital.

Valores normales: Aducción (Desviación radial): 0- -30°. Abducción

(Desviación cubital): 0-+15°.

27

Figura 10 Movimientos de aducción y abducción de la muñeca.


2.4.4 Antropometría miembro superior

Puesto que el prototipo de rehabilitación, manipulará directamente el brazo,

la muñeca y la mano, es fundamental que este se acople a cada paciente, para

que su uso sea eficiente y no incomode al paciente mientras realiza los

ejercicios de rehabilitación.

Para esto, se ha considerado los datos del libro The Measure of Man and

Woman: Human Factors in Design (Tilley, 1993), los mismos que han sido

recopilados de gran número de personas que han sufrido problemas en sus

miembros superiores; estos datos han tomados para el desarrollo de prototipos

28

y máquinas de rehabilitación del miembro superior que han sido

comercializados.

Para una mejor compresión de la Tabla 3 que detalla las dimensiones del

brazo humano, debemos mencionar que el percentil 1% representa al valor

mínimo de las mediciones, 50% el promedio y el 99% al valor máximo de las

medidas de la población adulta.

2.4.4.1 Medidas Antebrazo, Mano y Muñeca

Figura 11 Dimensiones muñeca y mano promedio.

Fuente: (William, 2001)

29

Tabla 3 Dimensiones mano y muñeca masculino y femenino.

DIMENSIONES DE MANO Y MUÑECA

HOMBRES

1%il (plg) 1%il(mm) 50%il (plg) 50%il(mm) 99%il (plg) 99%il(mm)

A 6.0 152.4 6.9 175.3 7.8 198.1

B 2.3 58.4 2.7 68.6 3.0 76.2

C 1.5 38.1 1.7 43.2 2.0 50.8

D 2.6 66.0 3.0 76.2 3.4 86.4

E 6.6 167.6 7.5 190.5 8.4 213.4

F 3.1 78.7 3.5 88.9 3.9 99.1

G 1.1 27.9 1.3 33.0 1.5 38.1

MUJERES

A 5.3 134.6 5.9 149.9 6.6 167.6

B 2.0 50.8 2.3 58.4 2.6 66.0

C 1.2 30.5 1.5 38.1 1.7 43.2

D 2.5 63.5 2.9 73.7 3.3 83.8

E 6.0 152.4 6.9 175.3 7.8 198.1

F 2.7 68.6 3.0 76.2 3.3 83.8

G 0.9 23.6 1.1 27.7 1.3 31.8


Figura 12 Dimensiones de la mano y la muñeca sujetando el mango. Fuente: (William, 2001)

30

Tabla 4 Dimensiones de la mano y la muñeca sujetando un mango.

DIMENSIONES MANO Y MUÑECA

HOMBRES


H 2.6 66.0 3.0 76.2 3.4 86.4

I 3.8 96.5 4.7 119.4 5.6 142.2

J 3.4 86.4 3.7 94.0 4.1 104.1

K 1.25-1.5 31.8-38.1 1.25-1.5 31.8-38.1 1.25-1.5 31.8-38.1

MUJERES

H 2.5 63.5 2.9 73.7 3.3 83.8

I 3.8 96.5 4.3 109.2 4.8 121.9

J 3.0 76.2 3.3 83.8 3.6 91.4

K 1.25-1.5 31.8-38.1 1.25-1.5 31.8-38.1 1.25-1.5 31.8-38.1


Figura 13 Dimensiones del antebrazo.


31

Tabla 5 Dimensiones del antebrazo masculino y femenino.

DIMENSIONES ANTEBRAZO

HOMBRES


L 9.2 233.7 10.1 256.5 10.8 274.3

MUJERES

L 8.3 210.8 9.2 233.7 9.7 246.4


Tabla 6 Denominación de partes del antebrazo y muñeca.

DENOMINACION

A Circunferencia de la muñeca

B Ancho de la muñeca

C Grosor o espesor de la muñeca

D Longitud del dorso

E Longitud de la mano

F Ancho de la mano

G Grosor o espesor de la mano

H Distancia del doblez de la muñeca al centro al mango

I Longitud del puño

J Ancho del puño

K Diámetro óptimo del mango

L Longitud antebrazo (entre ejes del codo y muñeca)


32

3. CAPITULO 3

DISEÑO DE PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN DE CODO Y

MUÑECA

3.1 Consideraciones de Diseño

3.1.1 Requisitos y restricciones

Con la finalidad de realizar un diseño óptimo, que se adapte

ergonómicamente al paciente satisfaciendo sus necesidades, se debe

considerar ciertos requisitos y restricciones que influirán en el desarrollo

mecánico, eléctrico y de control para lograr la funcionalidad del prototipo.

El prototipo del sistema de rehabilitación debe ser amigable al paciente

brindando seguridad, estabilidad y soporte al realizar los ejercicios, además

debe ser ajustable para que lo pueda usar cualquier paciente de edad adulta,

durante la primera y segunda fase de rehabilitación.

3.1.1.1 Consideración antropomórfica

El prototipo está netamente enfocado a la rehabilitación de los miembros

superiores, por lo que debe tomarse en cuenta el aspecto humano como son

sus medidas, posiciones, tipo de movimientos, ángulos, articulaciones, entre

otras, para el diseño y análisis del mismo.

33

3.1.1.2 Tipos de movimientos

El prototipo de rehabilitación realizará 8 movimientos de los cuales, 4 están

orientados a la recuperación de la muñeca y los 4 restantes al codo; dichos

movimientos se enlistan a continuación, además están expuestos a detalle en el

capítulo 2.

Flexión - Extensión del codo

Pronación - Supinación del codo

Flexión - Extensión de la muñeca

Aducción - Abducción de la muñeca

3.1.1.3 Número de grados de libertad

La importancia de definir los grados de libertad del sistema de rehabilitación,

es especificar el número de actuadores que necesitará el sistema para realizar

los movimientos de rehabilitación planteados.

El sistema trabajará con 4 grados de libertad, de los cuales 2 estarán

destinados a los movimientos de la muñeca y los restantes a los movimientos

del codo y antebrazo conjuntamente.

34

Tabla 7 Grados de libertad y ángulos de movilidad.

MOVIMIENTO GRADOS DE LIBERTAD

ÁNGULO DE MOVILIDAD

Flexión- Extensión del codo θ

130 ˚ - 0˚

Pronación- Supinación del codo θ

-90 ˚ - +90˚

Flexión- Extensión de la muñeca θ -70 ˚ - +70˚

Abducción - Aducción de la muñeca

θ -30 ˚ - +15˚


3.1.1.4 Trabajo pasivo o discreto

Un trabajo pasivo o discreto implica que los movimientos que serán

controlados por computador no tienen una retroalimentación por la parte del

paciente. El prototipo podrá ser aplicado dentro de la primera y segunda fase de

rehabilitación, donde el paciente cuyas funciones motoras del miembro superior

han sido disminuidas parcialmente, necesita de ayuda externa para mover la

zona del brazo afectada.

3.1.1.5 Dimensiones de la extremidad superior

Para realizar el análisis y cálculos del diseño se debe considerar algunos

datos importantes como son medidas y peso del brazo, antebrazo y muñeca,

resumidas en las Tablas 8 y 9.

35

Tabla 8 Dimensiones consideradas de mano y muñeca.

Rango [cm] Mínimo Máximo

Circunferencia de la muñeca 13.46 19.81

Ancho de la muñeca 5.08 7.62

Grosor o espesor de la muñeca 3.05 5.08

Longitud del dorso 6.35 8.64

Longitud de la mano 15.24 21.34

Ancho de la mano 6.86 9.91

Grosor o espesor de la mano 2.36 3.81

Distancia del doblez de la muñeca al centro al mango

6.35 8.64

Longitud del puño 9.65 14.22

Ancho del puño 7.62 10.41

Diámetro óptimo del mango 3.18 3.81

Dimensiones de Antebrazo

Longitud antebrazo (entre ejes del codo y muñeca)

21.08 27.43

Diámetro antebrazo 6.1 8.13


Las dimensiones de la mano, muñeca y antebrazo fueron consideradas de las

Tablas 3, 4 y 5, del capítulo 2, de las cuales se escogió el valor mínimo de

todas las medidas, las cuales correspondían a los valores de las mujeres, y el

valor máximo fue tomado de los valores de los hombres, el objetivo de la

36

selección de las dimensiones es hacer del prototipo un sistema adaptable para

que todo paciente pueda usarlo.

El prototipo debe ser capaz de soportar el peso de la extremidad superior a

rehabilitar conjuntamente con las diferentes partes que conforman la máquina

de rehabilitación, de manera que pueda realizar los movimientos con

normalidad durante el proceso de rehabilitación. Razón por la cual, en la Tabla

9 se muestran las masas de la mano y el antebrazo, de las cuales hemos

considerado las masas máximas para realizar el prototipo para asegurarnos

que sea apto todo tipo de paciente.

Tabla 9 Masas consideradas de mano, antebrazo y muñeca.

Masas [kg]

Mínimo Máximo

Mano 0.45 0.73

Mano y antebrazo 1.58 3.13


3.1.1.6 Consideraciones Eléctricas y Electrónicas

Dentro de este punto se restringirá las características del sistema,

actuadores y sensores que se utilizarán en el prototipo. El presente proyecto

plantea una máquina estática, es decir, no portable por lo que no requiere de

baterías para su funcionamiento, si no únicamente una alimentación de fácil

37

acceso en este caso sería de 120 VAC, sin embrago para la parte electrónica

es necesario que el voltaje sea de 5 a 24 VDC por las características de los

componentes electrónicos a utilizar.

Con respecto a los actuadores se definió únicamente la presencia de motores

para llevar a cabo el funcionamiento del prototipo. El o los actuadores deben

cumplir con las características enunciadas en la Tabla 10.

Tabla 10 Consideraciones eléctricas para el actuador.

Característica Detalle

Alimentación 5-24VDC o 120VAC

Velocidad Velocidades variables y

bajas inferiores a 10RPM.

Tamaño Reducido

Precisión Alta

Ruido Mínimo


En el caso de los sensores es necesario que presenten una alta velocidad

de respuesta, ya que estos están relacionados directamente con las

seguridades que se deben brindar al paciente.

38

3.1.1.7 Consideraciones de Control

Dentro de estas consideraciones es necesario definir las variables del

sistema que estarán sometidas a un permanente monitoreo y control.

Tabla 11 Variables de Control.

Variables Tipo de Control

Ángulo Control en lazo cerrado

Sentido de Giro Control ON/OFF

Posición Control ON/OFF


En la Tabla 11 se presentan las variables que serán controladas por los

diferentes sensores que interactúan en el sistema.

3.2 Estructura general del sistema

Previo al diseño del sistema es importante mencionar el diagrama de

bloques general, el cual sintetiza la relación entre las diferentes áreas que

conforman el prototipo.

39

Figura 14 Diagrama de Bloques General.


3.3 Selección del Tipo de Motor

Teniendo presente las características técnicas (ver Tabla 10) que debe

cumplir el motor, es necesario analizar los tipos de motores que cumplen las

mismas, de los cuales se seleccionará el que mejor se adapte al

funcionamiento del prototipo.

El primer paso es analizar las características de los motores de corriente

continua y alterna, para definir el tipo de alimentación del motor; para esto se

realizó una tabla comparativa definiendo las particularidades de cada uno.

40

Tabla 12 Motor DC vs motor AC.

Motor DC Motor AC

Se puede ajustar la velocidad del

motor mediante el aumento de la tensión.

Su diseño es más simple, pero

funcionan a velocidades fijas y no pueden operar a bajas velocidades.

Se pueden utilizar para aplicaciones

de baja potencia y de alta potencia.

Aplicaciones de alta potencia

Alto costo.

Bajo costo

Requiere mayor mantenimiento.

Mantenimiento mínimo.

El ruido producido es mínimo.

El ruido que produce es medio.


Comparando la Tabla 12 con la Tabla 10 se descarta al motor AC, ya que

este no cumple con dos requerimientos, el ajuste de velocidad y la posibilidad

de trabajo a baja velocidad, ya que el proceso de rehabilitación de realiza en

forma pasiva y con movimientos lentos.

Por lo tanto, para el prototipo de rehabilitación de codo y muñeca el motor

será de corriente continua.

41

3.3.1 Motor de Corriente Continua

El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, es decir, convierten la

energía eléctrica en energía motriz. El motor de corriente continua es uno de los

dispositivos más versátiles en la industria, por su fácil control de par, posición y

velocidad, convirtiéndolo en una de las mejores opciones en aplicación de

control y automatización de procesos (Martínez, 2012).

Para poder realizar la selección del motor a utilizar, es necesario conocer los

diferentes tipos de motores de corriente continua, para dicha elección se

considera la forma de control del motor, su costo y además que cumpla con las

características técnicas especificadas en la Tabla 10.

3.3.1.1 Motor a pasos

Un motor paso a paso se caracteriza por posicionar su eje en posiciones

fijas o pasos dependiendo de la secuencia que se utilice. Este motor presenta

las ventajas de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento.

Cada movimiento o paso que realice el motor mediante la señal de control,

tiene un valor predefinido, el avance es generalmente de 1.8°, siendo una

desventaja para el presente proyecto, ya que se necesita alcanzar ángulos que

estén entre 0 º a 270º y al tener pasos o avances predefinidos no es posible

conseguir ángulos intermedios en el giro del motor.

42

3.3.1.2 Servomotor

Es un motor eléctrico de reducido tamaño, controlado por modulación de

ancho de pulso (PWM), el cual le permite ubicarse en cualquier posición dentro

de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Cuenta con

un pequeño motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza,

dispone también de un pequeño circuito que gobierna el sistema

(Servomotores, 2013). El recorrido del eje de salida es de 180º en la mayoría

de ellos, pero puede ser fácilmente modificado para un recorrido libre de 360º.

Su desventaja es el alto costo que tiene en el mercado, pero la precisión, el

fácil control, y su funcionamiento en bajas velocidad, hacen de este una buena

opción de motor.

3.3.2 Análisis y Selección

Después de conocer algunas características de los tipos de motores de

corriente continua realizaremos la selección del tipo de motor mediante una

tabla comparativa, en la cual se asignará un valor según el porcentaje que cada

motor cumpla con la característica planteada.

43

Tabla 13 Valoración.

Importancia Valoración

Muy relevante 5

Relevante 4

Medio 3

Baja 2

Nula 1


Tabla 14 Selección del tipo de motor.

Servomotor

Motor a Pasos

Características Técnicas

5 4.6

Voltaje 5 5

Amperaje 5 4

Control 5 5

Torque 5 4

Ángulo de Giro 5 5

Tamaño 5 5

Ruido 4 4

Costo 3 2

Precisión 5 2

Impacto Ambiental 5 5

Total 27 25.6


44

Analizando los resultados obtenidos de la Tabla 14 el motor cuyas

características se adaptan a la necesidad del prototipo es un servomotor.

3.4 Diseño Mecánico

3.4.1 Herramientas de desarrollo

3.4.1.1 SolidWorks

SolidWorks es un programa que permite el desarrollo de modelos mecánicos

de piezas y conjuntos de piezas, además permite hacer diferentes análisis

mecánicos a la misma.

3.4.2 Diseño de mecanismos

Con el propósito de realizar un diseño óptimo, reduciendo recursos,

espacios y costos, se ha analizado la similitud de los movimientos de codo y

muñeca, aprovechando las características de los mismos para acoplarlos a un

solo mecanismo.

Dado que los movimientos de flexión y extensión del cuerpo humano se

realizan en el plano sagital medio con respecto al eje medio lateral, se puede

sintetizar los movimientos de flexión y extensión de codo y muñeca en un solo

mecanismo.

45

El movimiento de abducción y aducción de la muñeca se efectúa en el plano

frontal, respecto al eje anteroposterior; sin embargo, al rotar el antebrazo 90°

(dedo pulgar señalando hacia arriba), la muñeca rota con respecto al eje medio

lateral, sin afectar las características del movimiento. Por lo tanto, es posible

unir el movimiento de abducción y aducción al mecanismo propuesto para la

flexión y extensión de codo y muñeca, utilizando su respectiva adaptación.

El movimiento de pronación y supinación de la muñeca se da en el plano

transversal, con relación al eje vertical; para nuestro propósito, no utilizaremos

la posición neutra (Ver planimetría Cap. 2) ya que el brazo debe estar elevado a

una posición horizontal; al realizar esta variación el plano de trabajo cambia al

frontal y el eje de rotación pasaría a ser el anteroposterior, de tal manera que el

dedo pulgar esté dispuesto hacia arriba.

Debido a que el eje de rotación de la abducción y aducción es distinto a los

movimientos anteriores, se consideró la reubicación del brazo del paciente de

tal manera que se logre aprovechar el mismo actuador para realizar todos los

movimientos.

Por lo tanto, el diseño del mecanismo admite tres adaptaciones diferentes,

con las cuales es posible cumplir con los movimientos planteados. El diagrama

46

de bloques sintetizado del sistema referente a los mecanismos del prototipo se

puede apreciar en la Figura 15.

Figura 15 Diagrama de bloques de los mecanismos.


3.4.3 Sistema de Soporte y Desplazamiento

Considerando la rehabilitación de ambas extremidades, se diseñó un

sistema ajustable para el soporte del brazo. Este consta de un canal en forma

de T, y dos soportes móviles que se desplazaran sobre éste. Dichos soportes a

su vez son desmontables, lo que facilita la reubicación del brazo del paciente

dependiendo el movimiento que realice.

Para la dimensión del canal se analizó las posturas del paciente en cada

movimiento, determinando que la medida más relevante es la del antebrazo, ya

que este debe estar apoyado durante el proceso de rehabilitación.

47

Dependiendo del brazo a rehabilitar, este se ubicará a la derecha o a la

izquierda del centro del prototipo, siendo necesario así tener la presencia del

canal en ambos sentidos. Por lo tanto, la medida mínima requerida para el

canal corresponde al doble de la longitud máxima del antebrazo, dicha

dimensión es tomada de la Tabla 8.

2 ∗ Ec. 1

2 ∗ 27.43

54.86

La medida final del canal principal por facilidad de construcción es de 55 cm.

Figura 16 Canal principal.


48

El movimiento de pronación y supinación requiere que el brazo se encuentre

en el mismo eje de rotación del motor, por lo que se adaptó un canal secundario

perpendicular al canal principal. Para este movimiento el paciente necesita

sentarse frente al prototipo y colocar cualquiera de sus extremidades sobre los

soportes en el canal secundario, siendo necesario únicamente la medida del

antebrazo, para el apoyo del mismo.

Ec. 2

27.43

La longitud del canal secundario es 27.5 cm.

Figura 17 Canal secundario.


49

Los soportes móviles consisten en un tubo vertical acoplado en su parte

superior a un apoyo en forma de U que sigue la anatomía del brazo. En su

parte inferior presenta un sistema de desplazamiento y sujeción el mismo que

permite a los soportes colocarse en cualquier posición del riel de acuerdo a la

longitud del brazo del paciente y ajustar en la posición deseada.

Para el diseño de la altura de los soportes verticales se tomó en cuenta la

posición adecuada del paciente para realizar los ejercicios de rehabilitación

planteados en el proyecto. La posición ideal consiste en sentarse con el brazo

extendido completamente y elevado a la altura del hombro, de tal forma que la

muñeca, el codo y el hombro se encuentren alineados a la misma altura.

Figura 18 Posición Inicial


Una vez determinada la posición del paciente se consideró la ergonomía de

la persona en posición sentada mostrada en la Figura 19.

50

Figura 19 Medidas ergonómicas en posición sentada dadas en cm.

Fuente: (Melo, 2006)

Cabe recalcar que la mesa de apoyo del prototipo no forma parte del

presente diseño, sin embrago, se debe tener en cuenta que la mesa debe tener

una altura entre 75 a 80 cm. Tomando como base la mesa, la altura del codo

del paciente una vez que está alineado con el hombro en su posición inicial, se

encuentra en un rango de 20 a 30 cm de alto. Por esta razón, la altura de los

soportes es de 15,4 cm ya que se debe considerar también la altura de la base

del prototipo que es de 5 cm. Para una mayor comodidad del paciente se debe

utilizar una silla regulable la cual permitirá ajustar la altura del paciente para que

este acomode su brazo en la posición inicial indicada y realice los ejercicios sin

problema.

51

Figura 20 Soportes móviles para el antebrazo y muñeca.


El diseño de la apertura de los apoyos para el brazo están basadas en la

medida de la circunferencia de la muñeca y del antebrazo de la Tabla 8, de tal

forma que para su construcción el apoyo la muñeca tiene un diámetro de 8 cm y

el apoyo para el antebrazo es de 10 cm. El ancho de los mismos es de 3.5 cm

permitiendo que el brazo descanse cómodamente. Estos soportes contarán con

correas de sujeción para asegurar el brazo del paciente, evitando posibles

desplazamientos durante la ejecución del ejercicio.

3.4.4 Sistema de acople para el Actuador

El actuador del sistema es el motor quien provee de la fuerza y velocidad

necesarias para el efectuar el movimiento que se desee. Para la selección del

motor se debe conocer la fuerza de torque necesaria para que este sea capaz

52

de mover los mecanismos y la extremidad superior de la persona en el proceso

de rehabilitación.

Para el diseño del sistema de acople es necesario definir el modelo de

servomotor que se va a utilizar, para lo cual se realizó los cálculos de torque

respectivos. Se ha considerado las masas de mano y antebrazo expuestas en

la Tabla 9 y las dimensiones de los mismos correspondientes a la Tabla 8.

Cabe recalcar que en este punto los cálculos no toman en cuenta las masas

de los mecanismos a adaptar.

3.4.4.1 Cálculo de Torque

Los datos que influyen para el diseño son los máximos tanto de masas de

mano y antebrazo, además la distancia desde el eje del codo hasta el centro de

la mano donde se sostiene el mango del sistema para los movimientos del

codo, mientras que para los movimientos de la muñeca la distancia a tomar en

cuenta es la del doblez de la muñeca al centro al mango.

Siguiendo la mecánica de Newton referente a momentos, la ecuación

obtenida se muestra a continuación:

∗ Ec. 3

53

Para Flexión-Extensión del codo:

10.15

Para Pronación-Supinación del codo:

4.19

Para Flexión-Extensión de la muñeca:

1.25

Para Abducción-Aducción de la muñeca:

1.37

3.4.4.2 Selección de modelo de Servomotor

Analizando los resultados de los cálculos de momento, el servomotor a

seleccionar debe superar un torque de 10.15 . No obstante el motor debe

tener un torque mayor para que su trabajo no sea forzado.

En la Tabla 15 se exponen los servomotores que se encuentran en el

mercado con sus características.

54

Tabla 15 Servomotores presentes en el mercado.

Marca

Costo

Torque

Facilidad de acople

Futaba [b1] Bajo 2.16 Nm Bajo

Hitec [b2] Bajo 3.43 Nm Bajo

GWS Bajo 4.12 Nm Bajo

Kondo Medio 6.57 Nm Media

Torxis Medio 11.3 Nm Alta


De acuerdo a las necesidades de torque, facilidad de acople y costo para el

presente proyecto, se optó por el servomotor de marca Torxis de modelo i00600

cuyas características técnicas se detallan en la Tabla 16.

Tabla 16 Especificaciones técnicas servomotor Torxis i00600.

Característica Detalle

Alimentación 12 VDC

Corriente 3 A

Ángulo de giro 0° - 270°

Torque 11.3 Nm

Velocidad máxima 60° / 500ms

Tipo de Control PWM, Análogo

Peso 1 Kg

Dimensiones(cm) 14 x 10 x 6


55

Figura 21 Servomotor Torxis i00600.

Fuente: Invenscience LC. Obtenido de http://www.torxis.com/

3.4.4.3 Mecanismo de acople de motor

El motor viene originalmente con un disco de 5.6 cm de diámetro con ocho

agujeros de rosca M5 interna acoplado a su eje de salida. Con el propósito de

mejorar la sujeción de los mecanismos conectados al motor, se fabricó un disco

con características similares al original pero con un diámetro superior de 12.5

cm. El material del nuevo disco es aluminio ya que por sus propiedades de

resistencia, fácil maquinado, y baja densidad hacen de este la mejor opción

para esta pieza.

56

Figura 22 Servomotor Torxis i00600 con disco de 12.5 cm de diámetro.


El acople del motor está conformado por un disco y un perfil metálico

cuadrado, que conjuntamente permitirán instalar las diferentes piezas para

realizar cada movimiento. Teniendo en cuenta el tamaño de las piezas que se

adaptarán y las dimensiones anatómicas del brazo, el disco se diseñó de tal

manera que permita la sujeción de las piezas en dos puntos brindándoles

firmeza y evitando desplazamientos no deseados.

Los dos puntos de sujeción en el perfil metálico cuadrado tienen el objetivo

de distribuir la carga originada por el peso de la extremidad superior y los

mecanismos acoplados. El perfil cuadrado de 2.54 cm y 0.2 cm de espesor

tiene un largo de 10 cm y cuatro orificios de rosca M5 para la fijación de las

adaptaciones que se diseñarán posteriormente.

57

Figura 23 Perfil metálico cuadrado de 1 pulgada.


Finalmente el servomotor acoplado al perfil metálico y al disco de aluminio

se vería como en la Figura 24.

Figura 24 Sistema de acople de motor.


58

3.4.5 Base para montaje del motor

Es de gran importancia fijar el motor en el prototipo ya que su eje es el punto

de referencia a partir del cual se diseñan las adaptaciones para que cumplan

con los movimientos de rehabilitación para el codo y la muñeca. El eje del motor

además debe estar alineado con los ejes de las articulaciones

correspondientes.

Para el montaje del motor se pensó en una base rectangular, cuyas

dimensiones dependen tanto del armazón del motor como de los soportes

móviles explicados en la sección 3.4.2 Sistema de Soporte y Desplazamiento.

Por esta razón la base tiene un ancho de 10 cm y un largo de 15 cm que

permitirá fijar el motor; la altura de la misma es de 12 cm para poder mantener

el eje del motor a 15 cm de la base, así como el brazo del paciente que se

mantendrá apoyado sobre los soportes verticales en forma de U y estarán a la

misma altura del eje del motor para llevar a cabo los movimientos.

Figura 25 Soporte servomotor.


59

El sistema de acople del motor se montará en conjunto con el motor en la

base como se muestra en la Figura 26.

Figura 26 Base de motor ensamblado el motor y adaptación.


3.4.6 Adaptación para el mecanismo de la flexión y extensión del

codo

3.4.6.1 Selección del mecanismo

Para la flexión y extensión del codo la adaptación requerida consiste de un

tubo cuadrado asegurado al perfil metálico ubicado en el disco. Dado que el eje

de movimiento de la articulación del codo debe estar alineado al eje del motor,

se ha considerado la medida de la longitud mínima y máxima del antebrazo y la

distancia del doblez de la muñeca al centro del mango tomado por la mano (Ver

60

Tabla 8), de tal forma que el mango podrá desplazarse dentro de dicho rango,

permitiendo acomodar el brazo del paciente de acuerdo a su necesidad.

Ec. 4

21.08 6.35

27.43

Ec. 5

27.43 8.64

36.07

El rango de desplazamiento del mango debe ser entre 27 y 36 cm, para esto

a esta adaptación se le ha colocado una serie de orificios cada 2 cm (distancia

entre centros) donde se acopla externamente el mango.

Figura 27 Acople del mango al mecanismo.


61

El mango está acoplado a una pieza la cual ingresa sobre el perfil cuadrado,

esta posee dos orificios con una separación entre centros de 2 cm que

permitirán asegurarla a la adaptación, a la distancia necesaria de acuerdo al

paciente.

Figura 28 Mango para la flexión y extensión del codo.


La pieza se diseñó en un perfil cuadrado standard de 25.4 cm de lado lo cual

permitirá que el tubo de la adaptación ingrese dentro de este. El largo de esta

pieza es de 4 cm donde estarán ubicados los 2 orificios M5 de sujeción sin

considerar el lado del perfil. El ancho de este es de 4 cm, distancia que permite

alinear el centro del mango con el centro de los soportes verticales, para que

la mano repose cómodamente sobre estos.

62

Figura 29 Dimensiones acople mango al mecanismo de flexión y extensión del codo.


Finalmente, la longitud requerida para la adaptación de flexión y extensión

del codo es de 44 cm, abarcando la medida mínima y máxima de los pacientes.

Figura 30 Mecanismo de flexión y extensión del codo.


63

3.4.6.1.1 Selección del mango

La selección del mango se realiza valorando ciertas características como

son la longitud y diámetro óptimo, la superficie de contacto, el acabado, el

confort de uso y el material. Además, es importante la orientación del mango ya

que esta debe conseguir una mínima desviación de la muñeca durante todo tipo

de movimiento. La simetría del mango es otro aspecto esencial en el presente

proyecto ya que será utilizado para la rehabilitación de ambos brazos.

Las dimensiones de longitud y diámetro del mango deben ser suficientes

para permitir el agarre adecuado al realizar los ejercicios. Al analizar las

medidas de ancho de puño y diámetro óptimo del mango expuestas en la Tabla

8, se determina seleccionar la medida máxima de ancho de puño de 10.41 cm

para la longitud del mango; sin embargo el diámetro seleccionado para el

mango es de 3.5 cm, que es el promedio entre la medida mínima y máxima del

diámetro óptimo del mango para que una persona con un puño pequeño sea

capaz de tomar cómodamente el mango. Por standard en el mercado se

encuentran mangos de una longitud de 10.5 cm de longitud y 3 a 3.5 cm de

diámetro.

La superficie del mango debe ser ligeramente compresible para mejorar la

distribución de presión en la mano del paciente, esta no debe ser muy lisa o

pulida para evitar deslizamiento, ni tan rugosa para ser abrasiva para el

64

paciente. El acabado del mango debe tener bordes redondeados para evitar

presiones en ciertas zonas de la palma de la mano. No debe incluir alojamiento

para los dedos ya que se adaptaría únicamente a cierto número de pacientes.

Además para el confort del paciente se recomienda que en equipos médicos se

trabaje con mango de goma.

Considerando todas las características mencionadas anteriormente, se

selecciona un mango de goma poco rugoso de 10.5 cm de longitud y 3.5 cm de

diámetro.

Figura 31 Dimensiones Mango para mecanismos propuestos.


3.4.7 Adaptación para el mecanismo de la pronación y supinación

del codo


El movimiento de pronación y supinación del codo se realiza alrededor del

eje del motor, por lo que la adaptación se la diseñó en forma de U invertida de

65

tal manera que permita que el brazo y el eje estén alineados para efectuar el

movimiento, además de brindar el suficiente espacio y comodidad para el

paciente. Debido a que esta adaptación debe colocarse dentro del mecanismo

de acople para el motor, esta debe seguir su forma cuadrada pero con un lado

menor, por lo que el perfil metálico seleccionado es de 1.905 cm de lado y 0.11

cm de espesor.

Figura 32 Mecanismo en U para la pronación y supinación del codo.


Las dimensiones de la adaptación se definieron en base a la manera que el

paciente sujetará el mango al realizar el ejercicio pensando en su seguridad y

confort. La posición del centro de la mano debe estar alineada al eje del motor,

66

por lo que la adaptación tiene un ancho de 15,8 cm y un largo de 13,5 cm. En el

tramo de 16 cm, se encuentran dos orificios M5 para la sujeción de la

adaptación con el mecanismo de acople para el motor, mientras que en la

sección de 13,5 cm está ubicada el mango verticalmente a una distancia de 2,5

cm tal que la mano del paciente se alinee correctamente con el eje del motor y

tenga comodidad al sujetar el mango.

Para la ejecución de este movimiento, el paciente debe apoyar su brazo en

los soportes colocados en el canal secundario, cumpliendo con la posición

inicial descrita en la sección 3.4.2 Sistema de Soporte y Desplazamiento.

3.4.8 Adaptación para el mecanismo de abducción y aducción de la

muñeca


Para el movimiento de abducción y aducción de la muñeca la mano se

apoyará en el canal principal, a su vez el mango debe estar dispuesto

verticalmente. Por ende, la adaptación para este movimiento tiene una forma

especial, como se muestra en la Figura 33. Las medidas de la misma son 15

cm de largo, 13 cm de ancho y 4 cm de alto.

En el extremo de 15 cm se disponen los dos orificios M5 de sujeción con el

mecanismo del motor, el lado de 12 cm se debe a la distancia requerida para

67

alinear los soportes ubicados en el canal principal con la mano y el mango, y los

6 cm de altura fueron determinados en base al requerimiento de alineación del

eje de la articulación de la muñeca con el eje del motor permitiendo al paciente

sujetar cómodamente el mango durante el movimiento.

Figura 33 Adaptación del mecanismo para la abducción y aducción del motor.


3.4.9 Adaptación para el mecanismo de la flexión y extensión de la

muñeca


Para el movimiento de flexión y extensión de la muñeca se utiliza una

adaptación en forma de L, sin embrago sus medidas son diferentes ya que la

posición del mango pasa a ser horizontal para la ejecución del movimiento de

manera que el ejercicio de rehabilitación se pueda llevar a cabo correctamente.

68

Para la sujeción de la adaptación al mecanismo del motor es necesaria una

longitud de 15,8 cm en la cual se encuentran dos orificios M5. Debido a que la

mano apoyada en los soportes debe estar alineada con el centro del mango, se

requiere de una distancia de 4 cm de separación de la adaptación para que

esto se cumpla. Además, es importante que el eje de la articulación de la

muñeca se encuentre a su vez alineado con el eje del motor.

Figura 34 Adaptación para flexión y extensión de la muñeca.


3.4.10 Diseño de cubierta del prototipo

Teniendo en cuenta que el prototipo consta de motor, sensores, circuitos

eléctricos en su parte no visible, es necesario diseñar una cubierta que permita

protección a estos elementos.

69

Este diseño se dividirá en dos partes. La primera que consiste en la cubierta

frontal y posterior de base, y la segunda que consiste en la cubierta posterior

del prototipo.

3.4.10.1 Cubierta frontal y posterior de base

La cubierta frontal debe tener un orificio por donde debe pasar el eje del

servomotor de tal manera que la posterior colocación del disco pueda ser

acoplado al servomotor. Además, en el diseño se toma en cuenta que los

sensores, cableado, circuitos electrónicos requieren espacio suficiente. El área

posterior de la base también toma en cuenta el espacio para estos elementos, y

para que el servomotor quede fijo en un lugar que permita realizar los

movimientos de rehabilitación sin problemas.

El área frontal tiene una altura de 35 cm, un ancho de 55 cm que

corresponde a la misma dimensión de las placas donde se encuentran los

soportes para el brazo en forma de U. En la parte posterior para la base, las

medidas apropiadas para que los sensores, cableado, tarjetas electrónicas y

fuente tengan espacio suficiente son de 20.5 cm de profundidad, 7.5 cm de alto

y 55 cm de ancho.

70

Figura 35 Cubierta frontal y posterior de base


Para aclarar las medidas de esta parte del prototipo se muestran la vista

frontal a la misma. Los orificios circular y rectangular tienen el propósito de

colocar el paro de emergencia y el interruptor para encender el prototipo. La

distancia desde la parte externa del prototipo a cada botón es de 7 cm.

Figura 36 Vista frontal de la Cubierta frontal y posterior de base


71

3.4.10.2 Cubierta posterior

La cubierta posterior únicamente cubre los elementos colocados en la

cubierta frontal con el área posterior de base, por lo que las medidas son de

55cm de ancho y 27,3 cm de alto. El orificio está dispuesto para el cableado de

energización al sistema.

Figura 37 Cubierta posterior


3.4.11 Selección del material

Para la selección del material de los mecanismos se debe tomar en cuenta

sus propiedades físicas, químicas y mecánicas, además del costo y

accesilibilidad en el mercado ecuatoriano.

72

Tabla 17 Propiedades del Acero y Aluminio

Propiedad Aluminio Acero

Módulo de Young 6,3 - 7 10 / 19,5 - 20,5 10 /

Módulo elastico transversal

26300 MPa 8100 MPa

Dureza Brinell 21 - 240 HB 180 - 270 HB

Límite elástico 3,47 - 40,79 / 18 - 65 /

Resistencia a la tracción

9,18 - 47,93 / 45 - 92 /

Coeficiente de Poisson

0,33 0,3

Densidad 2700 / 7850 /

Fuente: (Propiedades Aluminio, 2013)

Además de las propiedades físicas se consideran las características más

relevantes para la fabricación de las piezas requeridas, mediante estas se

evalúa cuantitativamente a los materiales propuestos para finalmente

seleccionar el material que obtenga un mayor puntaje. La valoración de las

propiedades se realiza de acuerdo a la Tabla 18.

73

Tabla 18 Valoración de características

Valoración

Excelente 5

Muy buena 4

Buena 3

Regular 2

Mala 1


Tabla 19 Tabla comparativa de propiedades del Acero y Aluminio para la selección.

Material

Característica Acero Aluminio

Propiedades Físicas 5 4

Facilidad de Maquinado 5 5

Facilidad de soldadura 5 3

Corrosión 3 5

Accesibildad en el mercado

5 5

Costo 5 3

Total 28 25


74

Al analizar las caracteristicas y propiedades de ambos materiales, se

concluye que el material más óptimo para utilizar resulta ser el acero ya que

tiene una resistencia elevada, facilidad de maquinado y soldadura, un bajo

costo y amplio stock en el mercado.

Los perfiles cuadrados con las medidas requeridas para los mecanismos son

de acero al carbón, cumpliendo la norma ASTM A-500 (DIPAC, 2013) .

Tabla 20 Características perfiles cuadrados DIPAC.

B [mm] Espesor [mm] Peso[Kg/m] Área[ ]

19,5 1 0,72 0,90

25,4 2 1.47 1,74

Fuente: (DIPAC, 2013)

Figura 38 Perfil cuadrado.

Fuente: (DIPAC, 2013)

75

Además, para la estructura del prototipo se seleccionó planchas de acero

galvanizado por la facilidad que este brinda al doblar, soldar, cortar, entre otras

propiedades, cumpliendo la norma ASTM A-653 correspondiende al

recubrimiento utilizada por DIPAC (DIPAC, 2013).

Tabla 21 Características plancha de acero galvanizado DIPAC

Plancha[m] Espesor [mm]

1.21 x 2.4 1.1


3.4.12 Análisis y Simulación del Modelo CAD de Adaptaciones

propuestas

Para finalizar el diseño de cada adaptación se realizó un estudio de

movimiento para comprobar que cada uno de los mecanismos propuestos no

sufrirá fallos al aplicar las fuerzas relacionadas a cada movimiento.

76

Tabla 22 Análisis de resistencia de los Mecanismos Propuestos.

Mecanismo Tensión de von Mises

[ / ] Desplazamiento

[mm] Factor de seguridad

Flexión y Extensión del codo

Perfil Cuadrado:

Valor del material: 282 x10 Valor obtenido: 29.1 x10

Mínimo: 1 x10 Máximo: 9.4 x10

FS: 3

Adaptación para el mango



FS: 3

Continúa

77

Pronación y Supinación del

codo



FS: 3

Flexión y Extensión de la muñeca



FS: 3

Continúa

78

Abducción y Aducción de la

muñeca



FS: 3


79

Al haber realizado el análisis de resistencia de cada una de las

adaptaciones resumida en la Tabla 22, se observa que en el estudio de

Tensión de von Mises el Acero tiene un valor de 282 10 / mientras

que las adaptaciones está muy debajo de este valor, siendo el más alto el

de la adaptación para la flexión-extensión del codo con 29.1 10 / .

Observando los resultados respecto del desplazamiento provocado por la

fuerza que interviene en cada adaptación, se nota que el desplazamiento

máximo lo sufren las adaptaciones de flexión-extensión y pronación-

supinación del codo con 9.4 10 . Sin embargo, este valor es muy bajo,

por lo que no representa un posible daño en la adaptación al momento de

aplicar la fuerza.

En todas las adaptaciones se utilizó un factor de seguridad de 3, con la

finalidad de prevenir que las adaptaciones no sufran daño alguno al

someterse a la fuerza que interviene. Cabe recalcar, que el factor de

seguridad de 3 pese a ser un valor excesivamente alto para la funcionalidad

que tienen las adaptaciones, no se ve que éstas tengan zonas de ruptura.

80

3.5 Diseño Electrónico

3.5.1 Herramientas de Desarrollo

3.5.1.1 ISIS

Herramienta que permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se

desea realizar con componentes variados, desde resistencias, hasta

microprocesadores, incluyendo fuentes de alimentación, generadores de

señales y diversos componentes con prestaciones diferentes. Los diseños

realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real.

3.5.1.2 Ares

Programa utilizado para la fabricación de placas de circuito impreso,

posee herramienta de enrutado, ubicación y edición de componentes,

permitiendo editar generalmente, la capa superficial y de soldadura.

3.5.2 Diseño del Sistema Electrónico

Para el desarrollo del circuito electrónico de debe considerar el número

de señales electrónicas de los diferentes sensores y actuadores, además

del tipo de señal de las mismas, es decir, digitales o analógicas, para lo cual

se elaboró la Tabla 23 donde se enuncia dichos requerimientos.

81

Tabla 23 Distribución de Sensores

Tipo de Señal

I/O Descripción Abreviatura

1 Digital Entrada Sensor de flexión y extensión codo derecho

FCD

2 Digital Entrada Sensor de flexión y extensión codo izquierdo

FCI

3 Digital Entrada Sensor de pronación y supinación codo PC

4 Digital Entrada Sensor de flexión y extensión muñeca FM

5 Digital Entrada Sensor de aducción y abducción muñeca derecha

AMD

6 Digital Entrada Sensor de aducción y abducción muñeca izquierda

AMI

7 Digital Salida Control servomotor MOTOR

8 Digital Entrada Sensor 0° , 90° y 180° 0-90-180

9 Digital Entrada Paro de emergencia PE

10 Digital Entrada Sistema Energizado ON/OFF

11 Digital Entrada Sensor de posición angular PULSOS

12 Análoga Entrada Sensor de sentido de giro GIRO


Además de definir las entradas y salidas del sistema se necesita realizar

un esquema general del sistema electrónico del cual se partirá para realizar

el diseño.

Figura 39 Diagrama del Sistema Electrónico


Partiendo del esquema visualizado en la Figura 39 el diseño del sistema

electrónico se subdivide en dos partes:

82

Tarjeta de Interfaz de Sensores.

Tarjeta de Control.

3.5.2.1 Tarjeta de Interfaz de Sensores

En esta tarjeta de interfaz se diseñará los circuitos de acondicionamiento

de señal de los sensores que se ubicarán en el prototipo, para lo cual en la

Tabla 11 se enuncian las variables que van a ser monitoreadas y

controladas.

3.5.2.1.1 Ángulo y sentido de giro

El sensor que se seleccionó para medir el ángulo de giro es un encoder

óptico incrementa; es un transductor rotativo que transforma el movimiento

angular en una serie de impulsos digitales, estos impulsos generados serán

enviados a la tarjeta de control, la misma que se encargará de procesar la

información y enviarla a la interfaz donde se visualizará el ángulo del

movimiento que se ejecuta en ese momento.

Este tipo de sensor utiliza un disco liviano, que va solidario al eje rotativo

de la pieza para medir su posición, el cual está dividido en zonas

opacas/transparentes o muescas. Para el presente proyecto se diseñó un

disco dentado con 36 dientes y 36 muescas, cada uno de estos representa

5°.

83

Figura 40 Disco dentado.


Estas zonas actúan como un obturador2, permitiendo o denegando el

paso de la luz en forma alternada, estos cambios serán detectados por un

sensor lumínico, que en junto con la electrónica necesaria generará un

grupo de pulsos que luego serán leídos e interpretados por el

microcontrolador.

El encoder incremental se fabricó con dos LDR en forma vertical con un

desplazamiento de ¼ de ranura el uno del otro, estos trabajan de receptor y

dos LED’s que serán los emisores, generando de esta manera dos señales

de pulsos digitales, desfasadas en 90º o en cuadratura, lo que permitirá

suministrar al microcontrolador información suficiente para determinar la

posición, velocidad y dirección de rotación del eje.

2 Obturador: Dispositivo que controla el tiempo durante el que llega la luz al dispositivo fotosensible.

84

Para determinar el sentido de giro se debe considerar las dos señales de

pulsos digitales A y B, por convenio general, si la señal A adelanta a la

señal B, el eje está rotando en sentido horario. En cambio, si B adelanta a

A, el sentido será anti horario.

Figura 41 Señales obtenidas de los LDR.

Fuente: (Technoreeza, 2012)

El acondicionamiento del LDR es un circuito con dos transistores en

corte saturación, dependiendo de la cantidad de luz receptada a través de

las ranuras del disco, la resistencia del LDR va a variar de 0 a 6KΩ variando

la corriente que circula a la base del transistor, cuando no existe luz la

resistencia del LDR es muy alta evitando el paso de corriente por la base,

por lo que el transistor está en corte, es como si se tratara de un interruptor

abierto.

Cuando el LDR recibe luz, su resistencia desciende a 0 permitiendo el

paso de corriente necesaria para que el transistor esté en saturación; en

ese caso se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y

el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.

85

La resistencia mínima de base para que el transistor este en saturación

se la calcula con los datos que encontramos en el datasheet del transistor

NPN 2N3904.

Figura 42 Características transistor NPN 2N3904

Fuente: (FAiRCHILD, 2013)

0.65

50

5

Ec. 6

.

870 1 ]

La resistencia de base del transistor es de 1KΩ, de esta forma el circuito

de acondicionamiento de los LDR queda como se muestra en la Figura 43.

86

Figura 43 Circuito encoder incremental


Del circuito anterior obtenemos las dos señales A y B desfasadas 90°,

las mismas que deben ser acondicionadas para el correcto funcionamiento

del encoder óptico. Para esto se utilizará inversores con disparador Schmitt

74LS14.

Figura 44 Circuito de acondicionamiento de señal encoder óptico.


87

Después de que las señales pasan por los inversores se toma una de

ellas para el conteo de pulsos este determinará el ángulo de la adaptación.

Para el sentido de giro se utilizó un Flip Flop 74LS74, el mismo que viene

configurado de la siguiente manera:

Tabla 24 Flipflop 74LS74

Entradas Salidas

PR CLR CLK D Q

H H ↑ H H L

H H ↑ L L H

Fuente: (HITACHI, 2013)

Donde PR y CLR deben estar conectados a 5 voltios, mientras que D es

la señal A y CLK es B; dependiendo de la combinación de ambas señales

se determinará si giro es horario o anti horario

3.5.2.1.2 Finales de Carrera

Los finales de carrera son fundamentales en el prototipo de rehabilitación

ya que estarán ubicados en los rangos de movilidad mínimos y máximos de

cada movimiento, evitando que la articulación que se encuentre

rehabilitando no realice un movimiento mayor al que es capaz de realizar.

Para realizar los fines de carrera se utilizó foto barreras las mismas que

trabajarán en conjunto con el disco dentado. El circuito de

acondicionamiento de señal se muestra en la Figura 45, la señal que se

88

obtiene de las foto - barreras ingresa a una compuerta OR 74LS32, la

compuerta OR va a comparar si existe un cambio de estado en el sensor

que está en el mínimo con el del máximo rango, en el caso de que

cualquiera de los dos se encienda envía la señal a la tarjeta de control,

advirtiendo al usuario del problema.

Figura 45 Circuito de acondicionamiento final de carrera.


3.5.2.1.3 Alimentación

Dado que el servomotor necesita una fuente de 12V y 2A para su

funcionamiento, se decidió adquirir una fuente externa con dichas

características, la misma que a su vez alimentará a la tarjeta de interfaz de

sensores.

Para la alimentación de la presente tarjeta, se utilizará un regular de

voltaje LM7805, el cual nos entregará el voltaje de operación deseado.

89

Figura 46 Circuito de alimentación de la placa


Además en el circuito expuesto en la Figura 46 se añadió un fusible de 1

A de protección además de un paro de emergencia en serie con la línea de

alimentación, el mismo que en caso de ser activado cortará la alimentación

de la placa hasta revisar y dar solución al inconveniente generado.

3.5.2.2 Tarjeta de Control

Actualmente se encuentran en el mercado placas electrónicas

programables, diseñadas para facilitar el uso de la electrónica en proyectos

multidisciplinares, tal es el caso de la tecnología Arduino (Arduino, 2013).

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un

microcontrolador Atmel AVR, puertos de entrada/salida y un entorno de

desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring.

Por su facilidad de uso y bajo costo se seleccionó esta tarjeta para

realizar el control del prototipo de rehabilitación, además cabe recalcar que

90

las librerías para diferentes dispositivos ya se encuentran elaboradas por la

comunidad de usuarios que han optado por esta tecnología, lo que facilita el

uso de gran variedad de sensores, actuadores, conectividad con diferentes

programas, entre otras.

Existen varios tipos de placas, de las cuales debido al número de

entradas y salidas necesarias para el uso del prototipo se ha seleccionado

la placa Arduino Uno, cuyas especificaciones se pueden observar en la

Tabla 25.

Tabla 25 Especificaciones Arduino Uno R3.

Característica Valor o capacidad

Microcontrolador ATmega328

Voltaje del sistema 5V

Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada(limites) 6-20V

Pines de entrada y salida digitales 14 (6 proveen salidas de PWM)

Entradas analógicas 6

Corriente DC por pin de entrada y salida

40mA

Corriente DC para pines de 3.3V 50mA

Memoria FLASH 32 KB de los cuales 0.5 KB son

usados por el bootloader

SRAM 2KB

EEPROM 1KB

Velocidad de reloj 16MHz

Fuente: (Arduino, 2013)

91

La tarjeta Arduino Uno R3 puede ser alimentada desde la conexión USB

o a través de una fuente externa, por esta razón, se opta por utilizar como

alimentación el puerto USB de la computadora para evitar el diseño de una

fuente externa.

Figura 47 Tarjeta Arduino Uno R3

Fuente: (Arduino, 2013)

3.5.2.2.1 Distribución de pines para la aplicación

La tarjeta Arduino Uno R3 tiene 14 pines destinados como entradas o

salidas digitales, además cuenta con 6 entradas o salidas análogas, de esta

forma para el presente proyecto se ha asignado los pines de la forma

expuesta en la Tabla 26.

92

Tabla 26 Asignación de pines tarjeta Arduino.

PIN ASIGNACIÓN DESCRIPCIÓN

0 Ninguna Ninguna

1 Ninguna Ninguna

2 Entrada Sensor FECD, de Flexión Extensión Codo Derecho

3 Entrada Sensor FECI, de Flexión Extensión Codo Izquierdo

4 Entrada Sensor PSC, de Pronación Supinación Codo Derecho

5 Entrada Sensor FEM, de Flexión Extensión Muñeca.

6 Entrada Sensor AAMD, de Aducción Abducción Muñeca Derecha

7 Entrada Sensor AAMI, de Aducción Abducción Muñeca Izquierda

8 Entrada Señal de energía en el sistema. ON/OFF.

9 Entrada Sensor SENTIDO_GIRO, de sentido de giro del motor

10 Entrada SERVO, pin por el que se envía la señal al motor

11 Entrada Sensor de posición inicial de 0°, 90° y 180°

12 Entrada Señal botón Paro de Emergencia.

13 Ninguna Ninguna


93

3.6 Programación

3.6.1 Herramientas de desarrollo

3.6.1.1 Matlab

Es un programa que permite el cálculo matemático, visualización y

programación. Además, también permite el análisis de datos, desarrollo de

algoritmos y aplicaciones.

3.6.1.2 Arduino

Es un entorno de código abierto de fácil programación. Es utilizable en

distintos sistemas operativos como Windows, Mac OS X y Linux.

3.6.2 Diseño del Software del Sistema Electrónico

El software del sistema electrónico debe cumplir con ciertos requisitos

del sistema para llevar a cabo el proceso de rehabilitación con éxito, de

manera que se tenga en cuenta parámetros en el diseño del software. Sin

embargo, es preciso un flujograma que muestre el proceso general que

realiza el software.

3.6.2.1 Flujograma general del Software del Sistema Electrónico

El software del sistema electrónico es una interfaz que debe cumplir con

una serie de procesos que se muestran en el flujograma general del

software del sistema electrónico.

94

Figura 48 Diagrama de bloques general del software del sistema electrónico.


95

3.6.2.1.1 Pantalla de presentación

El software muestra una pantalla de presentación al usuario donde se

debe indicar una imagen del prototipo físico y las personas desarrolladoras

del mismo.

3.6.2.1.2 Ingreso de datos para la rehabilitación del paciente

El ingreso de datos para la rehabilitación del paciente es el paso que

será la base para la posterior ejecución del procedimiento, por lo que el

usuario deberá encontrar pantallas de selección y de ingreso de datos

acorde a la rehabilitación necesitada por el paciente en específico.

3.6.2.1.3 Proceso de acuerdo a rehabilitación seleccionada

Una vez seleccionados e ingresados los datos por parte del usuario, este

será capaz de ejecutar la rehabilitación al paciente a través del software

diseñado, en este proceso se deben tomar en cuenta ciertos requisitos para

llevar a cabo apropiadamente la rehabilitación seleccionada de cualquiera

de los movimientos propuestos, flexión/extensión, pronación/supinación del

codo, flexión/extensión y abducción/aducción de la muñeca.

3.6.2.1.4 Salir

El usuario puede salir del software en cualquier momento si lo desea, en

caso contrario y una vez terminado el proceso de rehabilitación, el usuario

tiene la posibilidad de ingresar un nuevo proceso y continuar la

rehabilitación al mismo, o a un paciente diferente.

96

3.6.2.2 Requisitos del software del sistema electrónico

El software del sistema electrónico debe cumplir con requisitos que le

permitan ejecutar, calibrar el sistema y también la comunicación con tarjeta

Arduino para llevar a cabo lo ingresado por el usuario, es decir:

Establecimiento de comunicación con tarjeta Arduino

Calibración del prototipo

Proceso de rehabilitación de acuerdo a lo ingresado por el

usuario

3.6.2.2.1 Establecimiento de comunicación con tarjeta Arduino

Para lograr la comunicación con la tarjeta Arduino se debe establecer la

transferencia de información entre Matlab y Arduino, por lo que mediante un

paquete provisto por los creadores de ambos programas es posible incluir

archivos en la librería de Arduino y archivos en la carpeta de Matlab del

computador.

De esta forma, es posible que Arduino realice la ejecución de comandos

desde Matlab, interacción entre dispositivos, transferencia de datos desde

Arduino hacia Matlab y viceversa. En Matlab se deben configurar los pines

de la tarjeta Arduino.

97

3.6.2.2.1.1 Configuración de la Comunicación

Tabla 27 Configuración comunicación serial.

Propiedad Detalle

Velocidad en Baudios 115200

Control de Flujo Ninguno

Bits de datos 8

Bit de parada Ninguno


3.6.2.2.1.2 Librerías necesarias para la comunicación Matlab-Arduino

Mathworks proporciona a los usuarios de Matlab un paquete de soporte

para Arduino el cual permite la comunicación de Matlab con una tarjeta

Arduino Uno o Arduino Duemilanove por medio de un puerto serial. Esta

comunicación permite configurar, acceder y controlar las entradas y salidas

análogas y digitales, controlar servomotores, leer encoders, controlar

motores DC y motores a pasos de Arduino a través de comandos

ejecutados en Matlab.

Arduino por su parte también proporciona gratuitamente la librería pde

que permite que la configuración de pines de la tarjeta Arduino sea a través

de Matlab. Esta librería contiene el archivo adiosrv.pde, el mismo que debe

ser cargado a la tarjeta Arduino con el objetivo que las instrucciones desde

Matlab sean ejecutadas, sea posible la interacción entre dispositivos y que

exista transferencia de datos de sensores y dispositivos desde y hacia

Matlab.

98

3.6.2.2.1.3 Pasos para realizar la comunicación entre Matlab-Arduino

a. Cargar las librerías de soporte de Matlab a la carpeta de librerías de

Matlab.

b. Cargar la librería pde en Arduino y cargar a la tarjeta el archivo

adiosrv.pde.

c. Comprobar el puerto serial habilitado en el ordenador para realizar la

comunicación.

d. Configurar en Matlab el puerto serial, los pines de la tarjeta

definiéndolos como entradas o salidas de acuerdo a la aplicación

correspondiente.

e. Las instrucciones del programa en Matlab deben ser cuidadosamente

escritas para la comunicación entre Matlab-Arduino.

3.6.2.2.2 Calibración del prototipo

El usuario debe tener acceso en todo momento al área de mantenimiento

donde se puede realizar la calibración del prototipo mediante la lectura de

estado de sensores y giro del motor a un ángulo específico.

3.6.2.2.3 Proceso de rehabilitación de acuerdo a lo ingresado por el

usuario.

El proceso de rehabilitación se realiza en base a la información

ingresada previamente por el usuario a través del software. Sin embargo,

para la ejecución de este proceso la tarjeta Arduino interviene directamente,

99

por lo tanto en la Figura 49 se muestra el flujograma que sintetiza esta

relación con Arduino para la ejecución del proceso de rehabilitación.

Figura 49 Diagrama de bloques general de programación del sistema.


3.6.2.2.3.1 Inicialización de variables

Las variables deben tener variables enceradas antes de iniciar la

comunicación tal que el usuario pueda ingresar los datos de rehabilitación.

100

3.6.2.2.3.2 Establecer comunicación Matlab Arduino

Para el establecimiento de comunicación Matlab Arduino se ha

sintetizado este procedimiento en un flujograma que indica los pasos a

seguir para la comunicación entre Matlab y Arduino.

Figura 50 Flujograma comunicación entre Matlab y Arduino.


Como se puede ver en la Figura 50 es necesario que el usuario ingrese

el puerto USB mediante el cual se va a realiza comunicación, para que

posteriormente se verifique el puerto ingresado mediante las librerías que

relacionan Matlab con Arduino, en caso de que el puerto ingresado no sea

101

el apropiado, el usuario debe corregir el puerto de comunicación

ingresándolo nuevamente.

Sin embargo, si el puerto ingresado es el correcto para la comunicación,

se establece la comunicación entre Matlab y Arduino exitosamente,

desplegándose un mensaje al usuario. Además al momento de establecer la

comunicación, la tarjeta Arduino configura los pines de entradas y salidas

mencionadas en la Tabla 26.

3.6.2.2.3.3 Ubicación de servomotor en posición inicial

El servomotor debe tomar la posición inicial de acuerdo al movimiento y

zona seleccionada para la posterior ejecución de rehabilitación.

Figura 51 Flujograma para la ubicación de servomotor en posición inicial


102

El motor ha sido colocado de tal manera que pueda cumplir con todos los

movimientos planteados, por lo que la posición inicial en grados del

servomotor para cada movimiento se expone en la Tabla 28.

Tabla 28 Posición inicial del motor

POSICION INICIAL DEL MOTOR (°)

ZONA MOVIMIENTO BRAZO

IZQUIERDO DERECHO

Codo Flexión/Extensión 180° 0°

Pronación/Supinación 90° 90°

Muñeca Flexión/Extensión 180° 180°

Abducción/Aducción 180° 180°


Como se observa en el flujograma de ubicación del servomotor en

posición inicial, una vez enviada la señal al servomotor para que este

alcance su posición dependiendo del movimiento y brazo seleccionado, el

sensor envía una señal de confirmación de posición correcta del

servomotor. Si la posición no es la correcta, se envía nuevamente la señal

al servomotor, para que este pueda alcanzar la posición correcta.

3.6.2.2.3.4 Envío y recepción de señales para proceso de rehabilitación

Dentro del envío y recepción de señales se debe tomar en cuenta que es

necesario la lectura de estado de los sensores que intervienen en el

movimiento de rehabilitación seleccionado, además del envío de señal al

servomotor para que este alcance el rango angular ingresado por el usuario.

103

Figura 52 Flujograma envío y recepción de señales del proceso de

rehabilitación.


Considerando que los pines de entrada y salida de la tarjeta Arduino han

sido configurados el momento de establecer la comunicación con Matlab,

los sensores que intervienen en cada movimiento envían señales a Matlab

indicando su estado, mientras estos no se hayan activado, el proceso puede

seguir y el servomotor realiza el proceso de rehabilitación cumpliendo con

los datos ingresados por el usuario. En caso de que un sensor se active, el

proceso se detiene y se envía un mensaje al usuario para que este tenga

conocimiento del error producido en el prototipo.

104

3.6.2.2.3.5 Culminación de proceso

Al terminar el proceso de rehabilitación, el usuario tiene la opción de

terminar el proceso, es decir, salir del sistema o de continuar en el. Si

escoge continuar dentro de la interfaz, el usuario puede ingresar un nuevo

procedimiento de rehabilitación.

3.6.2.2.3.6 Envío y recepción de señales para culminación de proceso

de rehabilitación

Habiendo seleccionado salir del sistema al haber culminado el proceso

de rehabilitación, se envía la señal al servomotor para que este tome la

posición final y se elimine la comunicación entre Matlab Arduino para

finalmente salir del software.

3.6.3 Diseño del software del prototipo

El diseño del software del prototipo toma en cuenta todo lo mencionado

anteriormente, siguiendo las explicaciones anteriores, se basará en

flujogramas para explicar y sintetizar los procesos que se ejecutan en el

software del prototipo de rehabilitación.

105

3.6.3.1 Diagrama de flujo de la programación del software del

prototipo

3.6.3.2 General

El diagrama de flujo de la Figura 53 sintetiza la programación de la

interfaz y del control del sistema, el cual sistema debe tener en cuenta la

selección del proceso por parte del usuario para su posterior ejecución.

Figura 53 Diagrama de flujo general


3.6.3.2.1 Selección de proceso

Considerando que el objetivo del sistema es de la selección del proceso

de rehabilitación para su posterior ejecución y rehabilitación del paciente, es

106

imperativo que el fisioterapeuta con conocimiento de rehabilitación ingrese

el proceso de rehabilitación personalizado para cada paciente. Además, el

usuario también puede seleccionar el proceso de mantenimiento para

calibración del sistema.

3.6.3.2.2 Ejecución

Se efectúa activamente el proceso de rehabilitación, produciendo el

movimiento del servomotor, a la vez se controla el estado de los sensores

de final de carrera, de posición inicial, de contador de ángulo y de sentido

de giro del motor hasta que se cumpla el número de repeticiones y series

ingresadas por el usuario previamente.

3.6.3.3 Subprocesos

Para describir más claramente la programación se ha dividido en

subprocesos cada parte del programa. Por lo tanto, a continuación se

describirá cada uno de los subprocesos existentes en el sistema a partir del

diagrama de flujo general y se describirá desde un proceso mayor a uno

menor para lograr explicar todo lo concerniente a la programación.

Sin embargo, para un mayor entendimiento del código de programación, es

importante mencionar las variables que intervienen en el software con el fin

de lograr el control del prototipo de rehabilitación.

107

Tabla 29 Variables del programa

Variable Tipo Descripción

usuario char Recibe el usuario ingresado.

contrasena char Recibe la contraseña ingresada.

z char Selección de zona a rehabilitar.

br char Selección de brazo a rehabilitar.

mov char Selección de movimiento.

angmin int Ángulo mínimo ingresado.

angmax int Ángulo máximo ingresado.

velo int Selección de velocidad de trabajo.

rep int Número de repeticiones a realizar.

ser int Número de series a realizar.

amax int Ángulo máximo de acuerdo al movimiento.

amin int Ángulo mínimo de acuerdo al movimiento.

escala array Valores correspondientes al giro del motor Torxis.

normal array Valores de ángulos de giro del motor Torxis.

contador int Cuenta los cambios de estado en el encoder.

contador_real int Realiza la cuenta de acuerdo a la información recibida del motor.

contador_teorico int Realiza la cuenta de acuerdo al número de pulsos.

pos int Posición central de acuerdo al movimiento.

puerto char Puerto ingresado para la comunicación.

val int Valor de posición del motor Torxis.

estado int Valor análogo de la entrada para contar los pulsos.

sent bit Determina si el giro es horario o anti-horario.

FECD bit Indica el estado del sensor.

FECI bit Indica el estado del sensor.

PSC bit Indica el estado del sensor.

FEM bit Indica el estado del sensor.

AAMD bit Indica el estado del sensor.

AAMI bit Indica el estado del sensor.

minimoi int Valor de ángulo mínimo para inicialización y primera repetición.

Continúa

108

minimob int Valor de ángulo mínimo para la ejecución de series y repeticiones.

subida int Valor de intervalo para la inicialización de la ejecución.

bajada int Valor de intervalo para la inicialización de la ejecución.

minmax int Valor de intervalo para movimiento de ángulo mínimo a máximo.

maxmin int Valor de intervalo para movimiento de ángulo máximo a mínimo.

mant int Ángulo ingresado por el usuario para mantenimiento.

calAnterior int Ángulo de calibración ingresado previamente por usuario.

calActual int Ángulo de calibración ingresado actualmente por usuario.

cs int Variable para cumplimiento de número de series.

cr int Variable para cumplimiento de número de repeticiones.

contador1 int Variable auxiliar para contadores.

res int Valor de intervalo para la calibración del servomotor.


Las variables de la Tabla 29 intervienen en las funciones del programa

para almacenar datos ingresados por el usuario, incrementar o disminuir el

valor del contador, entre otras. Es por eso, que antes de continuar con el

detalle de los subprocesos mencionamos las funciones del programa y los

paneles de selección para ingreso de datos del usuario, estas se

encuentran descritas brevemente en la Tabla 30 mostrando las entradas y

salidas de cada una de ellas.

109

Tabla 30 Funciones que intervienen en la programación

NOMBRE TIPO ENTRADAS SALIDAS DESCRIPCIÓN

LOGIN Función activada al presionar botón

Caracteres con usuario y contraseña

Ninguna Función para ingreso de usuario

SELZONA Panel de selección Ninguna Datos de selección Selección de zona de trabajo

SELBRAZO Panel de selección Ninguna Datos de selección Selección de brazo a rehabilitar

SELMOVIMIENTO Panel de selección Ninguna Datos de selección Selección de movimiento a ejecutar

ANGMIN Función al ingresar dato Ángulo mínimo (número) Ninguna Ingreso de ángulo mínimo

ANGMAX Función al ingresar dato Ángulo máximo (número) Ninguna Ingreso de ángulo máximo

SERIESC3 Función al ingresar dato Número de series Ninguna Ingreso de número de series

REPETICIONESC3 Función al ingresar dato Número de repeticiones Ninguna Ingreso de número de repeticiones

SEL_CICLO Panel de selección Ninguna Datos de selección Selección de velocidad de trabajo

PUERTO Función al ingresar dato Puerto USB Ninguna Ingreso de puerto para la comunicación Matlab‐Arduino.

CONECTAR Función activada al presionar botón

Elemento: Puerto Comunicación Matlab‐Arduino

Realiza la comunicación entre Matlab‐Arduino

INICIALIZAR Función activada al presionar botón

Ángulo mínimo Ninguna Ejecuta el movimiento desde la posición inicial hasta el ángulo mínimo

EJECUTA Función activada al presionar botón

Ángulo mínimo, ángulo máximo

Señal de movimiento para el motor

Ejecuta el movimiento repetitivo del ciclo ingresado, dando la orden al motor.

Continúa

110

ERROR_SENSORES Función elaborada para control de estado

Fin de carrera Mensaje de error en caso de activación

Verifica el estado de los fines de carrera

PULSOS Función elaborada para contador

Lectura pin A0 de Arduino Contador Comprueba el cambio de estado de la entrada, aumenta/ disminuye el contador

CONT Función elaborada para contador

Posición motor: val Contador De acuerdo al valor de val se aumenta/disminuye el contador

COMPARAR Función elaborada para comparación de contador

Contador Mensaje en caso de error en comparación

Compara el valor actual del motor con el ángulo designado.

SENTIGO_GIRO Función elaborada para sentido de giro

Sentido de giro de motor Mensaje en caso de giro incorrecto

Verifica el giro correcto del motor

PEM Función activada al presionar botón

Botón de paro de Emergencia, paro mecánico

Mensaje en caso de activación

Detiene la ejecución del programa

CALIBRAR Función activada al presionar botón

Ángulo ingresado en mantenimiento

Señal de movimiento para el motor

Da la señal de movimiento al motor de acuerdo al ángulo Ingresado.

ESTADO_SENSORES Panel de selección Ninguna Datos de selección Selección de sensor a leer

LEER Función activada al presionar botón

Pin de entrada de Arduino correspondiente al sensor

Estado de sensor Lee y muestra el estado del sensor seleccionado.

STOP Función activada al presionar botón

Botón de paro de lectura

Ninguna

Detiene la lectura del sensor

ON_OFF Función elaborada para control de estado

Estado pin8 de Arduino Ninguna Verifica que exista energía en el sistema

PARO_ONOFF Función elaborada para Control de estado

Estado de pin8 y pin 12 de Arduino

Mensaje en caso de activación/desactivación

Verifica que Paro de Emergencia esté desactivado y switch de ON/OFF esté activado


111

Además, debido a que el servomotor Torxis presenta una histéresis que

debe ser tomada en cuenta al momento de enviar la señal al mismo, se

presenta en la Tabla 31 el escalamiento realizado para que el servomotor se

posicione en el ángulo apropiado indicando el valor de la señal enviada y el

valor en grados para un aumento angular en la columna de SUBIDA y para la

disminución angular en la columna de BAJADA.

Estos valores son tomados en cuenta en el programa a manera de arreglo

para que este tome el valor correcto del arreglo correspondiente, es decir, el

momento de aumento angular, el motor se dirigirá al arreglo “SUBIDA” y si el

motor está disminuyendo su ángulo de giro se dirige al arreglo “BAJADA”. Una

vez dirigido al arreglo correcto, el programa selecciona el valor del arreglo

“SEÑAL” correspondiente para enviar este dato al motor y provocar el giro

deseado. Cabe recalcar que los arreglos SUBIDA y BAJADA se encuentran en

grados.

112

Tabla 31 Escalamiento de valor de señal y el ángulo correspondiente

SEÑAL SUBIDA SEÑAL BAJADA SEÑAL SUBIDA SEÑAL BAJADA SEÑAL SUBIDA SEÑAL BAJADA

SUBIDA (°) BAJADA (°) SUBIDA (°) BAJADA (°) SUBIDA (°) BAJADA (°)

56 0 55 0 82 94 81 94 108 184 107 184

57 3 56 5 83 97 82 97 109 187 108 187

58 8 57 8 84 100 83 100 110 190 109 190

59 11 58 11 85 105 84 105 111 193 110 193

60 14 59 14 86 108 85 110 112 198 111 196

61 17 60 19 87 111 86 113 113 201 112 199

62 20 61 22 88 116 87 116 114 204 113 202

63 23 62 27 89 121 88 119 115 207 114 205

64 26 63 30 90 124 89 124 116 210 115 210

65 31 64 33 91 127 90 127 117 213 116 213

66 34 65 36 92 130 91 130 118 216 117 216

67 37 66 41 93 133 92 135 119 219 118 219

68 40 67 44 94 136 93 138 120 222 119 222

69 45 68 47 95 141 94 141 121 225 120 225

70 48 69 50 96 144 95 144 122 230 121 228

71 51 70 55 97 147 96 147 123 233 122 231

72 54 71 58 98 150 97 152 124 236 123 234

Continúa

113

73 59 72 61 99 153 98 155 125 239 124 237

74 62 73 64 100 158 99 158 126 242 125 240

75 65 74 69 101 161 100 161 127 245 126 245

76 70 75 72 102 164 101 164 128 248 127 248

77 75 76 75 103 167 102 169 129 251 128 253

78 80 77 80 104 172 103 172 130 254 129 256

79 83 78 83 105 175 104 175 131 257 130 257

80 86 79 86 106 178 105 178

81 89 80 89 107 181 106 181


114

3.6.3.3.1 Selección de proceso

La selección de proceso consiste en la selección y el ingreso de datos

necesarios para realizar ya sea el proceso de rehabilitación o el de

mantenimiento por parte de un usuario especializado en el área siguiendo el

Manual de Operación.

Figura 54 Diagrama de flujo de selección de proceso.


Mantenimiento: Proceso mediante el cual se verifica el estado de cada

sensor, se calibra el motor y se comprueba el funcionamiento del motor.

115

o Calibración del sistema: Permite la visualización de estado del

sensor de fin de carrera seleccionado, y el ángulo de giro del

motor correspondiente al ingresado por el usuario de

mantenimiento.

Rehabilitación: Proceso que consiste en la selección e ingreso de datos

para la rehabilitación ya sea de codo o de muñeca del paciente.

o Ejecución: Proceso en el cual se ejecuta la información ingresada

por el usuario durante el proceso de rehabilitación. Este proceso

se describirá a más detalle posteriormente.

3.6.3.4 Calibración del sistema

Para poder efectuar la calibración del sistema se debe inicialmente realizar

la comunicación serial con el fin de verificar el estado de sensores y

funcionamiento del motor concerniente al ángulo de giro. Por lo tanto, en la

Figura 55 se muestran los procesos para realizar la calibración del sistema.

116

Figura 55 Diagrama de flujo de calibración del sistema.


3.6.3.4.1 Configuración del puerto USB

El usuario debe ingresar el puerto USB habilitado para la tarjeta Arduino Uno

con la que se va a realizar la comunicación serial. La manera más apropiada

para el ingreso del puerto es comprobar en el Administrador de Dispositivos el

puerto disponible para Arduino e ingresar dicho puerto en la interfaz de usuario.

En caso de que el puerto se haya ingresado incorrectamente aparecerá un

mensaje de error mostrado en la Tabla 35.

117

3.6.3.4.2 Comunicación USB entre Matlab- Arduino

Una vez ingresado el puerto se realiza la comunicación entre ambos

programas por medio de las librerías que permiten esta conexión, tanto de

Matlab, como de Arduino. El comando que define el objeto de la comunicación

entre estos es de la siguiente manera:

a=arduino (‘puerto’)

Al momento de realizarse la comunicación Matlab-Arduino, se despliega un

mensaje de confirmación de comunicación exitosa. En caso contrario, se

muestra un mensaje de error para corregir el puerto.

3.6.3.4.3 Funcionamiento de sensores

El usuario de mantenimiento será capaz de seleccionar el estado del sensor

a analizar. Al analizar los sensores, las funciones de Leer y Pausa son

ejecutables con el fin de controlar el estado del sensor en cualquier momento.

La función de Pausa permite que el usuario pueda realizar cualquier ajuste

mecánico o electrónico al prototipo.

3.6.3.4.4 Funcionamiento del motor

La comprobación de funcionamiento de motor consiste en enviar al motor a

un ángulo dispuesto por el usuario de mantenimiento con el objetivo de

comprobar que el motor llegue al ángulo ingresado.

118

3.6.3.4.5 Código para la calibración del motor

%Comprobación de sistema energizado y verificación de estado de %Paro de Emergencia. PARO_ONOFF(); %Si la posición del motor es en 0° (debe aumentar su ángulo %hasta llegar al ángulo ingresado para calibración) if servo<=56 b=abs(escalaS-mant); d=min(b); e=find(b==d); cal=normalS(e(1)); r=1 calAnterior=55 calActual=cal mant2=mant else res=mant-mant2 %Escalamiento del valor de ángulo ingresado en ángulo %a valor de señal enviada al motor(cal), este escalamiento %es para un giro de un ángulo menor a uno mayor. if res>0 b=abs(escalaS-mant); d=min(b); e=find(b==d); cal=normalS(e(1)); calActual=cal; end %Escalamiento del valor de ángulo ingresado en ángulo %a valor de señal enviada al motor(cal), este escalamiento %es para un giro de un ángulo menor a uno mayor. if res<0 b=abs(escalaB-mant); d=min(b); e=find(b==d); cal=normalB(e(1)); calActual=cal; r=-1 end end if p==0 %GIRO DEL MOTOR DESDE ÁNGULO PREVIO AL ÁNGULO INGRESADO ACTUALMENTE for(j=calAnterior:r:calActual) j %Desactivación de botones mientras el motor está girando. set(handles.CONECTAR,'enable','off') set(handles.CALIBRAR,'enable','off'); set(handles.LEER,'enable','off'); set(handles.STOP,'enable','off');

119

%Comprobación de sistema energizado y verificación de estado %de Paro de Emergencia. PARO_ONOFF(); if p==0 %Envío de señal al motor con el valor de m. c.servoWrite(10,j) %Tiempo de espera entre cada cambio angular del motor. pause(0.3); %Lectura de posición del servo. servo=c.servoRead(10) end if p==1 set(handles.CONECTAR,'enable','off') set(handles.CALIBRAR,'enable','off'); set(handles.LEER,'enable','off'); set(handles.STOP,'enable','off'); end end end mant2=mant; calAnterior=calActual; %Habilitación de botón CALIBRAR para giro del servomotor. set(handles.CALIBRAR,'enable','on'); set(handles.LEER,'enable','on'); set(handles.STOP,'enable','on');

3.6.3.5 Rehabilitación

El proceso de rehabilitación permite al usuario ingresar los datos y

seleccionar la información para realizar el proceso de rehabilitación

personalizada a cada paciente. El diagrama de flujo mostrado en la Figura 56

sintetiza la zona de trabajo como son codo y muñeca con sus respectivos

movimientos. En el proceso de rehabilitación es necesario ingresar el ciclo de

trabajo a realizarse, la configuración del puerto USB, la comunicación USB

Matlab - Arduino para posteriormente en el proceso de Ejecución efectuar el

ciclo de trabajo ingresado por el usuario.

120

Figura 56 Diagrama de flujo rehabilitación


121

En la primera posibilidad de selección de proceso se considera la zona a

rehabilitar, donde es posible seleccionar una de estas zonas, ya sea codo o

muñeca.

3.6.3.5.1 Zona de articulación a rehabilitar

El prototipo ha sido diseñado tal que el usuario pueda seleccionar la

articulación del codo o la articulación de la muñeca afectada del paciente para

su rehabilitación.

3.6.3.5.2 Brazo a rehabilitar

En este caso, el usuario puede seleccionar el brazo que el paciente necesite

rehabilitar, siendo izquierdo o derecho.

3.6.3.5.3 Movimiento a realizar

Conociendo los movimientos propuestos para el prototipo, el usuario tiene

las opciones de los siguientes movimientos:

o Flexión/Extensión del codo

o Pronación/Supinación del codo

o Flexión/Extensión de la muñeca

o Abducción/Aducción de la muñeca

122

Los límites angulares considerados de acuerdo al movimiento de cada

articulación están expuestos en la Tabla 32, los cuales coinciden con los

mencionados en capítulos anteriores.

Tabla 32 Límites angulares de acuerdo al movimiento.

LIMITES ANGULARES DE ACUERDO AL MOVIMIENTO

ZONA MOVIMIENTO RANGO

MINIMO(amin) MAXIMO(amax)


Pronación/Supinación -90° 90°

Muñeca Flexión/Extensión -70° 70°

Abducción/Aducción -30° 15°


3.6.3.5.4 Ingreso de ciclo de trabajo

El fisioterapeuta ingresa mediante la interfaz el procedimiento de

rehabilitación personalizado para cada paciente. El diagrama de flujo de la

Figura 57 indica el proceso de ingreso de datos para cualquier tipo de

movimiento seleccionado previamente.

123

Figura 57 Ingreso de ciclo de trabajo


3.6.3.5.4.1 Rango angular de trabajo

Considerando los límites de trabajo de la Tabla 32 se programa la interfaz de

tal manera que el usuario no pueda ingresar valores fuera del rango, ni valores

que no sean numéricos.

3.6.3.5.4.2 Número de repeticiones y series

El número de repeticiones y series se da de acuerdo a lo especificado por el

fisioterapeuta quien ingresa únicamente valores numéricos. El número de

124

repeticiones consiste en la cantidad de veces que el sistema se moverá desde

el ángulo mínimo al ángulo máximo ingresados. El número de series se refiere

a las veces que el sistema repetirá cada serie programada por el fisioterapeuta.

3.6.3.5.4.3 Velocidad de trabajo

Por razones de seguridad al paciente se han colocado únicamente tres

posibles velocidades, baja, media y alta. Esta velocidad será seleccionada por

el fisioterapeuta tomando en cuenta el grado de dolor y de movilidad del

paciente.

3.6.3.5.5 Configuración del puerto USB

Como se enunció anteriormente, el puerto ingresado debe ser el

correspondiente al disponible para la conexión con la tarjeta Arduino.

3.6.3.5.6 Confirmación de ciclo ingresado

El usuario en este paso es capaz de confirmar los datos que ingresó

previamente para asegurarse que todo corresponde a lo deseado.

3.6.3.5.7 Comunicación USB Matlab-Arduino

Si el puerto USB ingresado previamente es correcto, la comunicación entre

Matlab y Arduino es posible generando un mensaje de aviso para

posteriormente seguir con el proceso de Ejecución.

125

3.6.3.5.8 Ejecución

Con el rango angular configurado previamente por el usuario, las variables

son inicializadas y el motor se desplazará desde la posición inicial hacia el

ángulo mínimo asignado para comenzar a realizar el procedimiento del

movimiento oscilatorio dentro del rango angular propuesto hasta cumplir con el

número de repeticiones y series ingresadas. En esta sección se describirán las

variables que intervienen y las funciones necesarias para la ejecución del

movimiento y del control del sistema.

Figura 58 Ejecución del proceso


126

Previo a detallar el proceso de Inicialización de variables es necesario

describir las variables que intervienen en el programa, mostradas en la Tabla

29, la cual muestra el tipo de variable y la descripción respectiva referente a su

utilización en el programa.

3.6.3.5.8.1 Inicialización de variables

Al momento de comenzar la ejecución del programa, se deben inicializar

algunas de las variables de manera que no existan datos erróneos o tipo

basura que puedan alterar el funcionamiento correcto del programa y del

proceso en sí. Sin embargo, se mantiene la información de las variables

tomadas en el ingreso de datos de zona a rehabilitar, brazo, movimiento,

ángulos mínimo y máximo, velocidad de trabajo y número de series y

repeticiones.

3.6.3.5.8.2 Movimiento desde posición inicial a ángulo mínimo

La posición inicial del motor depende primordialmente del tipo de movimiento

y el brazo, ya sea izquierdo o derecho, por lo que una vez seleccionada esta

información y la comunicación Matlab-Arduino sea exitosa, el motor se colocará

en la posición inicial respectiva indicada en la Tabla 33 y en el proceso actual

se dirige desde la posición inicial hasta el ángulo mínimo ingresado por el

usuario en la interfaz. La función que realiza este movimiento del motor se

denomina INICIALIZAR, ver Tabla 30.

127

Tabla 33 Posición inicial del motor

POSICION INICIAL DEL MOTOR (°)

ZONA MOVIMIENTO BRAZO

IZQUIERDO DERECHO


Pronación/Supinación 90° 90°

Muñeca Flexión/Extensión 180° 180°

Abducción/Aducción 180° 180°


Cabe recalcar que los valores angulares de la Tabla 33 se refieren a la

posición real del motor dado que el límite de giro del motor Torxis i00600 es de

0° a 270°. Por lo tanto, se dispuso el motor de tal manera que sea capaz de

realizar todos los movimientos en el rango adecuado y, por consiguiente, los

valores mostrados en la Tabla 33 se deben a la posición inicial que debe tomar

el motor para realizar el movimiento apropiadamente.

Código para el movimiento desde la posición inicial a ángulo mínimo

%Función que dirige al motor desde la posición inicial hasta el ángulo %mínimo ingresado para que posteriormente se mueva dentro del rango %ingresado por el usuario. %Declaración de variables que intervienen en la función. global c p pos velo w subida minimoi app val %Mensaje de precaución antes de mover el servomotor. f=warndlg('El motor se moverá al ángulo mínimo ingresado. Cuidado.','Advertencia'); set(f, 'WindowStyle','modal', 'CloseRequestFcn','');

128

pause(1.5); set(handles.INICIALIZAR,'enable','off'); set(handles.NUEVO_PROC,'enable','off'); %GIRO DE MOTOR DESDE POSICIÓN INICIAL HASTA ÁNGULO MÍNIMO INGRESADO for(w=pos:subida:minimoi) %Verificación de sistema energizado y estado de Paro de Emergencia. PARO_ONOFF(); if(p==0) c.servoWrite(10,w) pause(velo); val=c.servoRead(10) elseif(p==1) return; end end %Una vez alcanzado el ángulo mínimo, se pide al usuario que %coloque al paciente a ser rehabilitado. if w==minimoi f=msgbox('Por favor coloque al paciente en el prototipo.','Mensaje'); waitfor(f); set(handles.EJECUTA,'enable','on'); set(handles.NUEVO_PROC,'enable','on'); end

3.6.3.5.8.3 Movimiento desde ángulo mínimo a ángulo máximo

Este movimiento del motor se efectúa únicamente entre el rango del ángulo

mínimo al ángulo máximo.

3.6.3.5.8.4 Movimiento desde ángulo máximo a ángulo mínimo

El motor gira desde el valor del ángulo máximo ingresado del movimiento al

ángulo mínimo. Para estos dos últimos procesos, en cada escritura al motor se

verifica el estado de sensores de fin de carrera a manera de protección ya que

cuando se acerca a los ángulos límites del rango no debe excederse, además

también se compara el valor del contador con la señal que tiene el motor en ese

momento.

129

Es decir, se comprueba que el ángulo del motor en cada momento

corresponda al giro realizado por el mismo por medio de un contador. Los

sensores colocados en el sistema también permiten determinar el sentido de

giro en caso de posible fallo del motor. Durante la ejecución de ambos

movimientos, se toma en cuenta el estado del botón de paro de emergencia

presente en la interfaz. Las funciones expuestas en la Tabla 30 que intervienen

en dichos procesos son:

o EJECUTA

o ERROR_SENSORES

o PULSOS

o CONT

o COMPARAR

o SENTIDO_GIRO

o PEM (Paro de Emergencia)

3.6.3.5.8.5 Cumplimiento del número de repeticiones y series

El número de repeticiones y series ingresadas se realiza por conteo para

que se cumpla el ciclo ingresado por el usuario a través de la interfaz. Mientras

las repeticiones y series no se hayan cumplido, el proceso sigue el movimiento

desde ángulo mínimo hasta el ángulo máximo y posteriormente el movimiento

desde ángulo máximo hacia ángulo mínimo.

130

Código para el movimiento del motor según el proceso ingresado

%%CUMPLIMIENTO DE REPETICIONES Y SERIES DEL PROCESO DE ACUERDO AL RANGO %%%%ANGULAR INGRESADO POR EL USUARIO %El motor incrementa y decrementa su ángulo yendo desde el ángulo %mínimo al máximo, y desde el ángulo máximo al mínimo hasta cumplir %con el número de repeticiones y series indicadas por el usuario. for(cs=1:1:ser) %Visualización de número de serie actual set(handles.SERACTUAL,'String',cs) for(cr=1:1:rep) %Visualización de número de repetición actual set(handles.REPACTUAL,'String',cr) %Establecimiento de ángulo mínimo de acuerdo al número de %serie, es necesario debido a la histéresis del motor. if cs==1 if cr==1 minimo=minimoi contador1=angmin1; end end if cs>=2 minimo=minimob contador1=angmin1; end %Funciones de contadores, teórico y real. PULSOS(); CONT(); %Visualización del valor actual del contador. set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real) %Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %GIRO DEL MOTOR DESDE EL ÁNGULO MÍNIMO AL ÁNGULO MÁXIMO for(m=minimo:minmax:angmax2) app=3 %Variable auxiliar. val=c.servoRead(10)

%Funciones de contadores, teórico y real. PULSOS(); CONT(); set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real) %Lectura del sensor correspondiente al movimiento ERROR_Sensores(); %Asignación de variable para aumento/decremento %angular de acuerdo al movimiento, asignado en %Pantalla 4. if minmax==1 %Variable: aux_pulsos=1 el contador incrementa. aux_pulsos=1; elseif minmax==-1

131

%Variable: aux_pulsos=2 el contador decrementa. aux_pulsos=2; end %Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %Envío de señal al motor con el valor de m. c.servoWrite(10,m); %Tiempo de espera entre cada cambio angular del motor. pause(velo); %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10)%% %Funciones de contadores, teórico y real. PULSOS(); CONT(); %Visualización del valor actual del contador. set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real); %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10) %Función que compara los valores de contadores %teórico y real que estén en un rango aceptable, %de lo contrario, se muestra un error. COMPARAR(); if r==0 f=errordlg('Error en comparación') p=1; delete(c); waitfor(f); end sentidoActual=val; %Función que determina el sentido de giro SENTIDO_GIRO();

%Dependiendo del sentido de giro obtenido de la función %SENTIDO_GIRO se muestra la imagen que indique el giro %actual del servomotor. if giro>0 guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('GiroAntihorario.png'); axis off; imshow(background); end if giro<0 guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('GiroHorario.png'); axis off; imshow(background); end if giro==0 guidata(hObject, handles);

132

axes(handles.sgiroim) background = imread('gris.png'); axis off; imshow(background); end %Visualización del sentido de giro. set(handles.SGIRO,'String',sentido); end end if(m==angmax2) val=c.servoRead(10) PULSOS(); CONT(); set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real) %GIRO DEL MOTOR DESDE EL ÁNGULO MÁXIMO AL ÁNGULO MÍNIMO for(n=angmax2:maxmin:minimob) %DESDE ANG MAX A ANGMIN app=55 %Variable auxiliar %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10) %Funciones de contadores, teórico y real. PULSOS(); CONT(); %Visualización del valor actual del contador. set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real); %Lectura del sensor correspondiente al movimiento ERROR_Sensores(); %Asignación de variable para aumento/decremento %angular de acuerdo al movimiento, asignado en %Pantalla 4. if maxmin==1 %Variable: aux_pulsos=1 el contador incrementa. aux_pulsos=1; elseif maxmin==-1 %Variable: aux_pulsos=2 el contador decrementa. aux_pulsos=2; end %Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %Envío de señal al motor con el valor de n. c.servoWrite(10,n); %Tiempo de espera entre cada cambio angular del motor. pause(velo); %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10) %Funciones de contadores, teórico y real. PULSOS(); CONT(); %Visualización del valor actual del contador. set(handles.ANGULOACTUAL,'String',contador_real) %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10);

133

%Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %Función que compara los valores de contadores %teórico y real que estén en un rango aceptable, %de lo contrario, se muestra un error. COMPARAR(); if r==0 f=msgbox('Error en comparación') p=1; delete(c); waitfor(f); end sentidoActual=val; %Función que determina el sentido de giro. SENTIDO_GIRO(); %Dependiendo del sentido de giro obtenido de la función %SENTIDO_GIRO se muestra la imagen que indique el giro %actual del servomotor. if giro>0 guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('GiroAntihorario.png'); axis off; imshow(background); end if giro<0 guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('GiroHorario.png'); axis off; imshow(background); end if giro==0 guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('gris.png'); axis off; imshow(background); end %Visualización del sentido de giro. set(handles.SGIRO,'String',sentido) end end end end

134

3.6.3.5.8.6 Término de proceso

Al momento de cumplir series y repeticiones, en la interfaz se desplaza un

mensaje para que el usuario determine si desea repetir el mismo ciclo

ingresado o si desea terminar el proceso, en caso de que el usuario desee

terminar el proceso, el motor se mueve desde el ángulo mínimo hasta la

posición inicial nuevamente.

Código para la terminación de proceso

%Al término de series y repeticiones, se pregunta al usuario si %terminar la ejecución para llevar al motor a la posición final(0°), %caso contrario, el usuario puede repetir el ciclo ingresado %anteriormente. if(cs==ser) %Imagen sin indicación de sentido de giro guidata(hObject, handles); axes(handles.sgiroim) background = imread('gris.png'); axis off; imshow(background); if(cr==rep) %Pregunta al usuario para finalmenteterminar la ejecución. f=questdlg('¿Desea terminar la ejecución?','TERMINAR','Si','No'); %Caso negativo: El usuario puede ejecutar nuevamente el %procedimiento ingresado previamente. if strcmp(f,'No') %Activación/Desactivación de botones. set(handles.INICIALIZAR,'enable','off'); set(handles.EJECUTA,'enable','on'); set(handles.NUEVO_PROC,'enable','off'); return; end %Caso afirmativo: El servomotor se dirige a la posición final(0°), %y se habilitan bototnes para que el usuario tenga opciones de %salir o de seleccionar un proceso de rehabilitación diferente. if strcmp(f,'Si')

g=warndlg('Retire al paciente del prototipo. El motor se moverá a la posición central.','Advertencia');

135

waitfor(g); %Desactivación de botones. set(handles.EJECUTA,'enable','off'); set(handles.INICIALIZAR,'enable','off'); set(handles.NUEVO_PROC,'enable','off'); set(handles.REPACTUAL,'String',''); set(handles.SERACTUAL,'String',''); set(handles.ANGULOACTUAL,'String',''); set(handles.SGIRO,'String','') %GIRO DEL MOTOR DESDE EL ÁNGULO MINIMO HASTA POSICIÓN FINAL(0°) for(t=minimob:-1:55) %DESDE ANGMIN AL 0 %Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %Envío de señal al motor con el valor de t. c.servoWrite(10,t) %Tiempo de espera entre cada cambio angular del motor. pause(velo); %Verificación de estado de Paro de Emergencia y sistema %energizado PARO_ONOFF(); %Lectura de posición del servo. val=c.servoRead(10)

%Una vez alcanzada la posición final, se deben desactivar %todos los botones, excepto el que permite un nuevo ingreso %de proceso. if(t==55) %Habilitación y desactivación de botones set(handles.INICIALIZAR,'enable','off'); set(handles.EJECUTA,'enable','off'); set(handles.NUEVO_PROC,'enable','on'); end end end end end

Repetición de ciclo

El usuario puede seleccionar este botón al término del ciclo para cumplir

nuevamente el proceso de principio a fin.

136

Nuevo proceso

Al presionar este botón, el usuario es dirigido inmediatamente a la pantalla

donde puede seleccionar todos los datos nuevamente, por lo tanto, todas las

variables son inicializadas completamente para el nuevo proceso a ejecutar.

3.6.4 Consideraciones de contadores durante la ejecución del

proceso

Como se mencionó anteriormente el servomotor está dispuesto de tal

manera que sea capaz de realizar todos los movimientos, por lo tanto, en la

Tabla 34. se muestra los valores de la posición inicial del motor y los valores de

contadores, es decir, la variable “contador_real” se refiere a los ángulos a los

que gira el motor, sin embargo, “contador_teorico” hace referencia al rango

angular de cada movimiento.

El usuario es capaz de ver el valor de contador real en la interfaz de usuario

para así comprobar que el paciente realice el movimiento en el rango

apropiado. Por otro lado, el contador teórico nos permite comprobar a manera

de control no visible por el usuario pero de control de programa que el motor se

encuentre en el ángulo apropiado y que gire de manera correcta.

137

Tabla 34 Valores de contadores en posiciones iniciales y finales.

Valores de Contadores en Posiciones Iniciales y Finales

FECD FECI Contador_real

(°) Contador_teórico

(°) Contador_real


(°) Angmin 0 0 180 0

Pos. Inicial 0 0 180 0

Angmax 130 130 50 130

PSCD PSCI Contador_real


(°) Contador_real


(°) Angmin 0 -90 180 -90


Angmax 180 90 0 90

FEMD FEMI Contador_real


(°) Contador_real


(°) Angmin 110 -70 250 -70


Angmax 250 70 110 70

AAMD AAMI Contador_real


(°) Contador_real


(°) Angmin 195 -15 165 -15


Angmax 150 30 210 30


3.6.5 Mensajes desplegados en la interfaz

Los mensajes que pueden aparecer en la interfaz de usuario pueden ser de

tres tipos, advertencia, error y mensaje al usuario. El usuario de la interfaz

podrá visualizar los mensajes durante el ingreso de ciclo de trabajo así como

durante la ejecución del proceso de rehabilitación.

138

Tabla 35 . Mensajes desplegados en la interfaz

Mensaje Tipo Causa

¿Desea salir del programa? Pregunta Salir del programa.

Ingreso incorrecto Error Usuario o contraseña incorrecta.

Debe ingresar un número Error En casilleros de ingreso de datos, los datos

aceptados son únicamente numéricos.

El ángulo mínimo ingresado es inferior al apropiado Error Rango angular incorrecto.

El ángulo máximo ingresado es superior al apropiado Error Rango angular incorrecto.

El ángulo mínimo debe ser inferior al máximo Error Rango angular incorrecto.

El ángulo máximo debe ser superior al mínimo Error Rango angular incorrecto.

El ángulo mínimo debe ser diferente al máximo Error Rango angular incorrecto.

El ángulo máximo debe ser diferente al mínimo Error Rango angular incorrecto.

Ingrese únicamente números enteros Error Rango angular incorrecto.

El valor no está dentro de los límites, ingrese un nuevo valor Error El número de series o repeticiones es inferior a

cero, o sobrepasa un límite apropiado.

Debe ingresar el puerto.Ej:COM4 Error No se ha ingresado correcta información del

puerto.

Espere un momento por favor, se verificará el puerto

ingresado. Mensaje

Se comprueba el puerto ingresado y realiza la

comunicación serial de ser posible.

Continúa

139

Conexión fallida. Revise el puerto. Error Error al realizar la conexión o puerto incorrecto.

Motor listo. Mensaje El motor está posicionado apropiadamente para

realizar el movimiento indicado.

El motor se moverá al ángulo mínimo ingresado. Cuidado. AdvertenciaMovimiento desde posición inicial hasta el ángulo

mínimo ingresado por el usuario.

Por favor coloque al paciente en el prototipo. Mensaje Posición de trabajo del paciente al inicio del

proceso.

Error en comparación. Error El contador angular no concuerda con la posición

del sistema.

¿Desea terminar la ejecución? Pregunta Al terminar proceso de rehabilitación, en caso se

requiera repetir el ciclo previo.

Retire al paciente del prototipo. El motor se moverá a la

posición central. Advertencia

El sistema regresa a posición inicial, se debe retirar

al paciente por seguridad.

El Paro de Emergencia ha sido activado. Error Paro de emergencia activado por el usuario.

Pulse OK para continuar. AdvertenciaOK para continuar al pausar el procedimiento en

progreso.

El sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del brazo

Derecho. Error

Sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del

codo activado.

El sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del brazo

Izquierdo. Error

Sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del

codo activado.

Continúa

140

El sensor de fin de carrera de Pronación/Supinación del

brazo. Error

Sensor de fin de carrera de Pronación/Supinación

del codo activado.

El sensor de fin de carrera de Pronación/Supinación del

brazo. Error

Sensor de fin de carrera de Pronación/Supinación

del codo activado.

El sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del brazo.

Error

Sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión de la

muñeca activado.

El sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión del brazo. Error Sensor de fin de carrera de Flexión/Extensión de la

muñeca activado.

El sensor de fin de carrera de Abducción/Aducción del

brazo. Error

Sensor de fin de carrera de Abducción/Aducción de

la muñeca activado.

El sensor de fin de carrera de Abducción/Aducción del

brazo. Error

Sensor de fin de carrera de Abducción/Aducción de

la muñeca activado.

El motor se encuentra girando en sentido contrario al

correcto. Error Movimiento incorrecto del motor.


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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA - …repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/8564/1/T-ESPE... · 2016-07-22 · Agradezco a Gaby, por compartir conmigo una linda